[CHI 23 REVIEW] Full-hand Electro-Tactile Feedback without Obstructing Palmar Side of Hand

This document is structured as follows:

• Meta Information about the Paper (논문 정보)

• Researcher's Affiliation Site (저자 연구실 정보)

• Content for General Readers (일반 독자를 위한 내용)

• Content for Readers Who Want to Know More about the Paper (관련 분야 전문가를 위한 내용)

• Summary of Lessons Learned (교훈 정리)

let’s start.

Meta Information about the Paper

Tanaka, Y., Shen, A., Kong, A., & Lopes, P. (2023, April). Full-hand electro-tactile feedback without obstructing palmar side of hand. In Proceedings of the 2023 CHI Conference on Human Factors in Computing Systems (pp. 1-15).

VIDEO:

https://dl.acm.org/doi/10.1145/3544548.3581382

Researcher's Affiliation Site

Prof. Pedro Lopes

https://plopes.org/

Content for General Readers

motivation

Existing haptic feedback devices that cover the entire palm typically require attaching actuators directly to the user’s palm. This setup interferes with interactions that require fine motor skills, such as touching or grasping real objects. Therefore, a new method is needed that can provide tactile feedback to the entire palm while keeping it free from obstructions.

한글 요약:

기존의 전체 손바닥에 햅틱 피드백을 제공하는 장치들은 주로 사용자의 손바닥에 액추에이터를 부착하는 방식입니다. 이러한 방식은 실제 물체를 만지거나 잡는 등의 손재주가 필요한 상호작용을 방해합니다. 따라서 손바닥은 자유롭게 두면서도 전체 손바닥에 촉각 피드백을 줄 수 있는 새로운 방식이 필요합니다.

contribution

• developed a technology that provides distinct tactile feedback at 11 different locations on the palm, without attaching anything directly to the palm.

• Instead, electrodes are placed on the back of the hand and the wrist to deliver electrical stimulation.

• The process involved optimizing electrode placement, stimulation intensity, and polarity to maximize the tactile sensation on the palm.

• User experiments demonstrated that with this technology, users can feel virtual haptic feedback in the palm while keeping the palm free, enabling them to manipulate real objects simultaneously.

• showcased the potential applications in VR climbing, DJing, and mixed reality experiences.

한글 요약:

손바닥에는 아무것도 부착하지 않고 손등과 손목에만 전극을 부착하여, 손바닥 전체에 11군데의 구별되는 촉각 피드백을 제공하는 기술을 개발했습니다. 전극 위치 선정, 자극 강도 최적화, 자극 극성 조절 등을 통해 손바닥의 촉각을 최적화하는 과정을 거쳤습니다. 사용자 실험을 통해, 손바닥이 자유로운 상태에서 가상 촉각 피드백을 느끼며 동시에 실제 물체를 잡고 조작할 수 있음을 확인했습니다. 이 기술은 VR 클라이밍, DJ, 혼합현실 등 다양한 응용 프로그램에 적용 가능성을 시연했습니다.

Content for Readers Who Want to Know More about the Paper

Related background

Traditional haptic feedback devices attach actuators directly to the palm or fingers, which limits the user’s ability to dexterously manipulate real objects. Existing solutions attempt to relocate or minimize actuators, but they introduce various limitations:

1. Relocated Actuators (e.g., placed on fingernails, wrist, or forearm) successfully minimize interference but fail to render feedback at the expected location, reducing realism.

2. Non-contact Actuation (e.g., ultrasound or airflow) provides tactile feedback without physical contact, but struggles with dexterous hand movements and limited interaction volume.

3. Thin or Foldable Actuators (e.g., Tacttoo, HydroRing) allow some sensation through them, but users still feel the actuators, reducing tactile feedback. Foldable actuators also impair dexterity and are slow to activate.

한글 요약:

전통적인 햅틱 피드백 장치는 손바닥이나 손가락에 직접 액추에이터를 부착하는 방식이 사용되는데, 이는 실제 물체를 능숙하게 조작하는 사용자의 능력을 제한합니다. 기존의 해결책들은 액추에이터의 위치를 변경하거나 최소화하려고 하지만 다양한 한계가 존재합니다:

1. 재배치된 액추에이터(예: 손톱, 손목, 팔뚝에 부착)

   • 간섭을 최소화하는 데 성공했으나, 기대한 위치에서 피드백이 전달되지 않아 현실감이 떨어짐.

2. 비접촉 방식 액추에이션(예: 초음파나 공기 흐름)

   • 신체 접촉 없이 촉각 피드백을 제공하지만, 손의 민첩한 움직임에서 어려움이 있고, 상호작용 가능한 범위가 제한됨.

3. 얇거나 접이식 액추에이터(예: Tacttoo, HydroRing)

   • 이를 통해 일부 감각을 느낄 수 있지만, 여전히 액추에이터가 느껴져 촉각 피드백이 감소됨. 접이식 액추에이터는 민첩성을 저하시킬 수 있으며, 작동 속도가 느림.

Method

To overcome these challenges, the study uses electro-tactile stimulation by placing electrodes on the back of the hand. The aim is to deliver haptic sensations to the palmar side using a neurological concept called referred sensations. Key technical challenges include:

1. Electrode placement: Stimulating separated nerves after the wrist to avoid interference from bundled nerves.

2. Optimizing current flow: Increasing the distance between electrodes for deeper current penetration.

3. Tactile asymmetry: Leveraging the higher mechanoreceptor density on the palmar side to ensure that stimulation is primarily felt there.

4. Polarities for fingerpads: Using cathodic stimulation to direct the sensation towards the fingertips.

The system was able to generate distinct tactile sensations at 11 different points on the palmar side while leaving the user's hands free to interact with physical objects.

한글 요약:

이 연구는 이러한 문제를 해결하기 위해 전기촉각 자극을 사용하여 손등에 전극을 배치하고, 신경학적 개념인 '전이된 감각'을 활용하여 손바닥 쪽에 촉각을 전달하는 방식을 사용합니다. 주요 기술적 도전 과제는 다음과 같습니다:

1. 전극 배치: 손목 이후에 분리된 신경을 자극하여 다발된 신경 간섭을 피함.

2. 전류 흐름 최적화: 전극 간 거리를 늘려 더 깊은 전류 침투를 유도.

3. 촉각 비대칭성 활용: 손바닥 쪽에 더 많은 기계수용기가 분포된 것을 활용하여 주로 손바닥에서 자극을 느끼도록 함.

4. 손가락 끝 자극 극성: 음극 자극을 사용하여 손가락 끝으로 감각을 전달.

이 시스템은 사용자의 손이 실제 물체와 자유롭게 상호작용하는 동안 손바닥 쪽 11개의 다른 지점에서 촉각을 생성할 수 있었습니다.

Limitation

• Requires per-participant calibration for electrode placement and intensity.

• Small chance (6.7%) of sensations being felt on the back of the hand.

• Cannot render continuous pressure and is limited by the use of standard square waveforms.

한글 요약:

• 전극 배치 및 강도를 각 사용자가 개별적으로 조정해야 함.

• 6.7%의 확률로 손등에서 감각이 느껴질 가능성이 있음.

• 연속적인 압력 렌더링이 불가능하며, 표준 사각파형을 사용해 감각의 품질이 제한됨.

Detailed Points for take away

전극 사이의 길이가 멀수록 깊숙히 전달된다.

손바닥이 손등보다 역치가 낮아(민감하니) 그 기준치를 타게팅하는 전략을 활용할 수 있다.

촉각 자극의 시간적 식별 임계치는 약 50ms 이다.

위 논문을 읽으며 추가로 배운 점은 아래와 같다

1)손에 느낌 주는 기존 접근법을 정돈했다.

“ traditional approach to user's ability to feel and dexterously manipulate real objects.”

2) 아래처럼 감사 전할 수 있다.

“All the following findings in this section were informed by six months of pilot experiments as well as consultation with an external scholar who is an expert on tactile stimulation in the field of neuroscience (see Acknowledgments). “

3) 아래처럼 사용방법을 설명했다.

“To help readers replicate our design, we now provide the necessary technical details. Furthermore, to accelerate replication, we provide all the source code, firmware, and schematics of our implementation “

4) 금액에 대한 언급을 했다.

“We recruited ten participants from our institution (7 identified as male, 3 as female, average age = 23.9 years, SD = 2.5). All participants were right-handed. The participants were compensated with $30 USD. “

5) 다음처럼 장점을 살린 application experience 소개했다.

Keeping the Palmar Side Free Enables New Interactive Experiences

If you have any questions, please contact me at the email address below.

ehlkim0215@gmail.com