Novel contactless haptic technologies for creating affective tactile sensations when interacting with computer systems

Esta tesis doctoral desarrolla y explora nuevas tecnologías hápticas sin contacto para generar sensaciones táctiles en los usuarios a distancia y sin obligarles a llevar dispositivos. De esta forma, se reduce el tiempo de empezar a usar el sistema y se mejora la disponibilidad a utilizar dispositivos públicos. Utilizando hápticas sin contacto, esta tesis también quiere ir más allá del tacto funcional (p.ej., notificaciones o discriminación de objetos) e intenta reproducir algunas experiencias perdidas en entornos virtuales como el tacto afectivo. Por ejemplo, los movimientos de roce en el antebrazo pueden tener un fuerte significado afectivo (caricias) pero la tecnología de ultrasonidos focalizados actual no estimula con suficiente intensidad estas áreas de piel. Sin embargo, otras tecnologías sin contacto, como la luz infrarroja o la electrostática podrían generar estas sensaciones afectivas. Los sentidos visual y auditivo han dominado los sistemas de interacción humano-ordenador, a veces desatendiendo el sentido del tacto. En este trabajo, se presentan tecnologías hápticas que pueden proporcionar sensaciones táctil a distancia. Tienen el potencial de mejorar las experiencias inmersivas en entornos virtuales, así como de facilitar una conexión más profunda entre sus usuarios. Esta tesis también explora brevemente el uso de la háptica sin contacto para experiencias multimodales, tecnologías sin contacto y computación afectiva. En primer lugar, la tesis desarrolla una técnica híbrida, un material inteligente que es una combinación de termoplástico y polvo de hierro que se puede activar a distancia mediante calor y campos magnéticos, pero el usuario sigue necesitando contacto directo con el material. Se pensó que este sistema sería la base para comparaciones. En segundo lugar, se presenta una demostración utilizando electrostática para crear piloerección en el antebrazo. Esta tecnología puede actuar a distancia y tiene el potencial de crear estímulos afectivos. En tercer lugar, se combinan el plasma eléctrico y el ultrasonido para guíar chispas eléctricas en el aire, capaz de generar estímulos fuertes y con una buena resolución espacial y temporal. Finalmente, se explican combinaciones aún inacabadas de tecnologías; como ultrasonido, electrostática, chispas eléctricas, aerosoles, luz infrarroja, cambio de humedad/temperatura, aire y láseres. Espero que este trabajo sirva para introducir otras tecnologías hápticas sin contacto distintas de los ultrasonidos, que ha sido la tecnología dominante en la última década. Tener disponibles más tecnologías hápticas sin contacto, puede motivar la incorporación de feedback táctil en algunos sistemas de interacción entre humanos-computadoras, como las experiencias interactivas públicas en exposiciones, museos o teatros.

This doctoral thesis develops and explores new contactless haptic technologies to generate tactile sensations on users from a distance and without forcing them to wear devices. Thus, the setup time is reduced and the reluctance towards using public devices is lowered.Moreover, using contactless haptics, this thesis aims to go beyond functional touch (e.g., notifications or object discrimination) and tries to reproduce some experiences lost on virtual environments such as affective touch. For example, stroking motions on the forearm can carry strong affective meaning (caresses) but current focused ultrasound does not stimulate with enough intensity these nonglabrous skin areas. However, other contactless technologies, such as infrared light or electrostatics could generate these affective sensations. Traditionally, visual and auditory senses have dominated human-computer interaction systems, sometimes overshadowing the sense of touch. In this work, emergent haptic technologies that can deliver tactile feedback from a distance are presented. They hold the potential to enhance immersive experiences in virtual environments, as well as facilitate a deeper connection between their users. This thesis also briefly explores the use of contactless haptics for multimodal experiences, touch-free technologies and affective computing. Firstly, the thesis develops a hybrid technique, a smart material that is a combination of thermoplastic and iron powder that can be actuated from a distance using heat and magnetic fields, yet the user still needs direct contact with the material. This systemwas thought to be the baseline for comparisons. Secondly, a demonstration using electrostatics to create piloerection on the forearm is presented. This technology can act at a distance and has the potential to create affective stimuli. Thirdly, electric plasma and ultrasound are put together to show a guidance system for electric sparks in mid-air, capable of strong stimuli as well as high spatial and temporal resolution. Finally, yet unfinished combinations of technologies are explained; such as ultrasound, electrostatics, electric sparks, aerosols, infrared light, humidity/temperature change, air blowing and lasers. I expect thiswork to introduce other technologies for contactless haptics different from ultrasound, which has been the dominant technology in the past decade. More contactless haptics can motivate the addition of tactile feedback in some human-computer interactive systems like public experiences such as exhibitions, museums or theaters.