I nuovi touchscreen non avranno più bisogno del ‘tocco’

GestIC la nuova tecnologia

Poco tempo fa ci siamo occupati di una straordinaria ed interessantissima notizia, una vera innovazione a portata di mano che promette meraviglie nel campo dell’intrattenimento ma anche dello sviluppo tecnologico. Vi piace la domotica? Siete amanti dell’elettronica? Studiate i sensori e la loro evoluzione? Siete semplicemente curiosi? In tutti questi casi, GestIC, la nuova, straordinaria frontiera dell’interazione uomo-macchina, vi potrà certamente interessare. Oggi vedremo insieme in che cosa consiste davvero, sul piano tecnologico, la nuova creatura di Microchip. Perchè non capita tutti i giorni di avere per le mani dei sensori a campo elettrico.

Il nuovo controller MGC3130 di Microchip è il primo al mondo basato sul controllo e sulle operazioni mediante campo elettrico ed è il primo a fare tracking 3-D. La tecnologia che lo “anima” prende il nome di GestIC®, un brevetto di Microchip sul quale, c’è da scommetterci, punteranno per tutto il prossimo decennio.

La notizia è di quelle che fanno la felicità di tutti gli amanti della tecnologia e di chi, studioso di dispositivi, era in attesa del primo dispositivo basato sull’uso dei campi elettrici. Il tracking sarà permesso grazie alla rilevazione del movimento di mani e dita, in maniera tale da distinguerle ed attivare funzioni diverse e preprogrammate. Il tracking sarà real-time e questo promette di regalare un’esperienza davvero interessante all’utente.

Il video che abbiamo visto l’altra volta serviva a darvi un assaggio; oggi però andiamo a spulciare dentro la documentazione di questo controllore.

Perchè ci interessa?

Questa è davvero la prima domanda alla quale è il caso di rispondere. Beh, mi sembra evidente: è nuova, e, a suo modo, divertente e propone una tecnologia non ancora esplorata. Ce n’è abbastanza per esserne piuttosto incuriositi, non trovate? Tra i “benefits” di questo nuovo prodotto possiamo facilmente identificare:

  • basso consumo di potenza;
  • rilevazione in prossimità entro 15 cm;
  • nessun punto cieco;
  • elettrodi sottili, a basso costo e del tutto integrati;
  • alta sensibilità;
  • nessuna interferenza dall’ambiente circostante (!);
  • portante: 70 – 130 kHz.

A questo punto mi sembra importante fare una breve carrellate delle caratteristiche principali dell’MGC3130:

  • riconoscimento di gesti in 3-D (e scusate se è poco…);
  • risoluzione fino a 150 dpi;
  • front-end a basso rumore;
  • utilizzo del frequency hopping (per fronteggiare il rumore);
  • interfaccia digitale;
  • Gesture Suite Colibri (della quale parleremo poi) integrata.

A cosa può servire tutto questo, oltre a realizzare quello stranissimo cubo di cui abbiamo già parlato? Beh, potete pensare che questa tecnologia rappresenti un ponte tra il vecchio ed il nuovo, tra la tecnologia già vista e quella di là da venire. Immaginate una nuova generazione di portatili. Oggi Asus ed altri stanno disperatamente aggiornando le loro linee di produzione per soddisfare le “esigenze” degli utenti Windows. Microsoft decide di trasformare i pc in tablet? Beh, per sfruttarlo c’è bisogno di un touchscreen oppure sarete in possesso del “solito” notebook.

Non c’è bisogno che io dica che in questo elenco compaiono certamente anche i tablet e gli smartphone, per i quali sarà certamente meno difficile immaginarne l’utilità.

Ma non è tutto qui: pensate a come potrebbero cambiare i lettori multimediali, i controlli remoti (tipo telecomandi ed attivatori per cancelli ma anche dispotivi remoti più in generale). Anche l’industria videoludica potrebbe beneficiarne, ora che il videogiocatore ha iniziato a mettersi in piedi e muoversi piuttosto che rimanere identicamente sovrapponibile a se stesso nel tempo seduto alla sua sedia.

Ma come funziona?

Abbiamo detto che si tratta di un sistema che effettua il riconoscimento di un movimento scomposto in 3 componenti assiali ed utilizza il segnale rilevato come segnale di comando e controllo. Questo permette all’utente di utilizzare le mani e le dita in un modo completamente diverso. Ma come funziona davvero? Su che principio si basa?

È presto detto: parliamo di campi elettrici e di onde sinusoidali, concetti basilari per qualsiasi tecnico o ingegnere. Come si è riusciti a trasformare nozioni basilari in qualcosa di completamente nuovo? Beh, non è forse questa la definizione di ingegno?

Un campo elettrico, come noto, viene generato elettricamente per effetto di una differenza di potenziale posta a due elettrodi distanti una certa quantità. Gli elettrodi in questione sono tri-dimensionali e sono disposti sulla superficie “utile” del dispositivo nel modo in cui vedremo più avanti grazie alla “Sabrewing”. Per ora, accontentiamoci di dire che ai suddetti elettrodi noi applichiamo una tensione costante e che questo crea un campo elettrico (statico).

Se viene applicata una tensione variabile a questa struttura, e quindi siamo in presenza di stimolazioni AC, il campo varierà nel tempo con legge da determinare. Se, come nel nostro caso, la variazione dovesse essere sinusoidale, saremo in presenza di una funzione trigonometrica che però presenta precisi legami tra le grandezze caratteristiche (frequenza, lunghezza d’onda e così via). Questo ci è particolarmente utile per via del fatto che, come vediamo in figura, valgono le relazioni riportate.

Il campo elettromagnetico risultante, quindi, avrà caratteristiche deterministicamente note e calcolabili istante per istante e, pertanto, ogni variazione sarà prevista, prevedibile e comunque misurabile.

Dal punto di vista tecnico, quindi, il sistema può essere analizzato sulla base del principio di funzionamento. Come sappiamo, per descrivere il campo elettrico si utilizzano le linee di forza, ovvero delle entità geometriche che, di fatto, sono vettori che descrivono, nella regione circostante il monopolo/bipolo elettrico, l’andamento del campo stesso. Questo sistema è stato utilizzato fin da subito per descrivere l’effetto su una carica di prova esercitata da una particella nello spazio libero ma oggi tornerà utile per capire meglio di cosa stiamo parlando.

Dicevamo, quindi: c’è un campo elettrico per effetto della differenza di potenziale applicata ad una coppia di elettrodi, ergo posso certamente utilizzare il metodo delle linee di forza per descriverne l’andamento. Le linee di forza, come da figura sopra riportata, hanno direzione e verso e descrivono, quando più fitte, quando meno, l’intensità (il modulo) del campo elettrico cui una particella è sottoposta in prossimità della sorgente.

Ecco, questo metodo, piuttosto semplice, dimostra linee di forma regolare. Immaginate, ora, cosa succede quando il dito o l’intera mano, si avvicinano alla struttura: il risultato è una perturbazione del campo presente, una deformazione delle linee di forza. Ed è proprio questo il fenomeno, ovvero la perturbazione, che costituisce il “segnale” utile.

Il sistema GestIC

La tecnologia GestIC® funziona trasmettendo segnali in un range di frequenze dell’ordine dei 100 kHz, il che corrisponde ad una lunghezza d’onda di 3 km (come abbiamo visto). Data la geometria degli elettrodi, che vedremo presto quanto sono grandi effettivamente), questo valore risulta decisamente inferiore (visto che siamo nell’ordine dei centimetri). Proprio per questo motivo la componente di campo magnetico associata all’onda è praticamente nulla (quindi trascurabile), visto che non ha spazio sufficiente per propagarsi. Lo studio di questa struttura si semplifica, pertanto, nel caso Quasi-Static Electric Field, utile per studiare elementi conduttori e le loro interazioni. Ergo, il corpo umano è il soggetto perfetto.

Una volta che l’utente abbia effettuato “l’ingresso” nell’area “attiva”, ovvero nella regione di sensing, il campo elettrico, come dicevamo in precedenza, viene distorto e le linee di forza del campo si concatenano con l’oggetto che stà effettuando la perturbazione. La presenza del corpo causa una compressione delle regioni equi-potenziali (rappresentate proprio dalle linee) e questo causa uno shift del livello di segnale al ricevitore ad un potenziale più basso. Ed è proprio la rilevazione di questo fenomeno che viene “catturata” ed elaborata dal sistema.

L’MGC3130 funziona comunicando tramite interfacce SPI ma anche I2C (x2 canali) e viene alimentato da una tensione di 3.3V DC (indicata sul datasheet come 3.3V ±5%). Vale la pena, a questo punto, riassumere brevemente altre features di grande interesse per queste operazioni:

  • Sensibilità del ricevitore: <1 fF;
  • Position Rate: 200 pos/sec;
  • Canali supportati:
    5 canali Rx
    1 canale Tx
  • Funzione di auto-calibrazione integrata;
  • Low Noise Radiation” (grazie a basse tensioni in trasmissione e controllo dello Slew Rate)
  • riduzione della rumorosità tramite filtraggi analogici e digitali on-board;
  • package: 28-lead QFN, 5×5 mm;
  • temperature operative: -20°C to +85°C.

Fanno capitolo a parte le specifiche sul consumo di potenza; la tensione operativa è di tipo single supply e può variare da 2.4 V a 3.6 V. Esistono, tuttavia, diverse modalità operative:

  • Processing mode: 30 mA @ 3.3V (tipico);
  • Programmable Self Wake-up: 45 μA @ 3.3V;
  • Deep Sleep: 9 μA @ 3.3V (tipico).

Per mettere “in moto” l’intero sistema, e risvegliarlo da una modalità che potremmo considerare stand-by, si utilizza il cosiddetto “Approach Scan“. Durante la fase di scansione, infatti, l’MGC3130 ha tipicamente un canale in ricezione attivo e, grazie alla libreria GestIC, la durata della fase stessa è configurabile modificando proprio i cicli di scansione, selezionando durate comprese tra un minimo di 20 ms ed un massimo di 150. In questa fase, i canali di comunicazione attivi (1, quindi, o più), vengono controllati e monitorati in modo tale da compararli con sistemi a soglia. Questo permette all’MGC3130 di essere totalmente autonomo nel realizzare la funzione di Wake-UP automatico pur restando acceso. Il consumo di potenza, in questa modalità, come abbiamo visto, è davvero molto contenuto (meno di 150 μW!)

Elettrodi e materiali

Gli elettrodi utilizzati sono tipicamente sottili e a basso costo, realizzati con materiali conduttori e permettono integrazione non visibile (all’interno dell’housing). Questo rende l’intero aspetto sicuramente più compatto ed accattivante perchè lasciando molto spazio al design.

Vi proporremo la struttura degli elettrodi tra un attimo; per ora è il caso di affrontare questo argomento dal punto di vista tecnologico, ovvero parlando dei materiali. Questa nuova tecnologia apre le porte a tante realizzazioni diverse sia dal punto di vista dei materiali sia, evidentemente, dal punto di vista dei processi tecnologici utilizzati.

Essi potranno esser fatti con PCB, per esempio, cioè stampati su scheda. Tuttavia sarà anche possibile realizzare “foil” conduttivi oppure creare elettrodi “laser direct structured” (meglio note con l’acronimo LDS).

Gli elettrodi potranno anche essere adesivi, con l’evidente vantaggio che qui il tipo di adesivo (ma anche lo spessore) non potranno in alcun modo “influenzare” negativamente la sensibilità (come accadrebbe con sensori MEMS accelerometrici, per esempio).

Anche materiali meno “nobili”, come vernici conduttive, o strutture ITO (Indium Thin Oxide) potranno essere largamente impiegate, aprendo il mercato a tante soluzioni diverse e facilità di implementazione per diversi campi.

La Suite integrata

La Suite Colibri Gesture che Microchip ha realizzato si dimostra particolarmente interessante per via della facilità di impiego e dell’elevato grado di integrazione ed interattività con l’hardware. Certo, c’è da aspettarselo quando l’intero tool viene sviluppato in casa, ciò non di meno lo sviluppo ha dato vita ad un prodotto che risulta, almeno per quanto appare finora, piuttosto funzionale, intuitivo, versatile e promettente. Per ciascuno degli usi cui verrà destinato sono già implementate alcune feature di base in modo da concedere subito all’utente meno “tecnico” la possibilità di interagire con pochissimi sforzi.

Questo vuol dire che c’è una classificazione dei gesti ed una serie di tipologie di movimenti già pre-elaborati e che vengono riconosciuti sulla base del funzionamento di un modello di Markov Nascosto (Hidden Markov Model, HMM), unitamente con un sistema vettoriale che analizza la posizione della mano nello spazio tridimensionale (scomponendo questo o quell’altro movimento per capire cosa si sta muovendo e come!).

I vantaggi che propone questa Suite sono evidenti e partono sempre e comunque dal fatto che trattasi di tool realizzato ad hoc.

  • la suite è integrata e già pronta all’uso (infatti);
  • il modello di Markov implementato è piuttosto sofisticato;
  • riconoscimento molto preciso ed affidabile;
  • i gesti già “classificati” sono intuitivi;
  • ottimizzazione del “time-to-market”;
  • features e funzionamento real-time;
  • personalizzazioni varie possibili.

E tra i tanti gesti che sono già riconosciuti ce ne sono per effettuare le operazioni più comuni quali: puntamento, click, zoom, scroll, mouse-over e tanti altri. Se su questo punto siete a caccia di documentazione, vi consigliamo vivamente di fare un giro su queste pagine.

Che cos’è la Sabrewing

Partiamo, prima di vedere cos’è la Sabrewing, dalla struttura degli elettrodi. Nella prossima figura ve li presentiamo schematicamente.

Direi che è piuttosto semplice, vero? Bene, ecco a voi una scheda che nasce apposta per farvi provare che vosa vuol dire leggere i segnali, elaborarli ed, in definitiva, testare fino in fondo le funzionalità di GetIC. In pratica, si tratta di una soluzione completa ed autosufficiente per dimostrare, con una scheda dal costo contenuto, le performance del MGC3130; basterà collegare la scheda via USB ad un PC ed utilizzare la GUI apposita.

Per il momento non è ancora disponibile la documentazione, o il software, ma Microchip promette che presto questa “mancanza” sarà “risolta.

Ma allora: ci piace o non ci piace?

Prima di esprimere questo parere vorrei che ci soffermassimo tutti sulla lunghezza di questo articolo, sul numero di punti che sono stati trattati, sulla ricchezza della documentazione ma anche sulla nostra capacità di immaginare come utilizzare questa tecnologia.

Io per primo, oltre gli utilizzi indicati, faccio fatica ad immaginarne altri però mi rendo conto di una cosa: niente è indispensabile e nulla è più necessario del superfluo (parafrasando il grande Oscar Wilde) per cui… chi ci dice che sia tutto qui? E se così non fosse, davvero potremmo dire che è “troppo poco, troppo tardi” per fare automazione seria?
Io penso di no e credo che questa tecnologia, prima, e queste applicazioni, poi, possano veramente disegnare il futuro del controllo intelligente, in attesa che si sviluppino sistemi omologhi però questa volta basati sull’uso di campi magnetici.

 

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8 Comments

  1. Emanuele Emanuele 5 marzo 2013
  2. Giorgio B. Giorgio B. 7 marzo 2013
  3. Giorgio B. Giorgio B. 7 marzo 2013
  4. Giorgio B. Giorgio B. 7 marzo 2013
  5. Antonello Antonello 8 marzo 2013
  6. Boris L. 8 marzo 2013
  7. Antonello Antonello 12 marzo 2013

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