Tastzin overbrengen via internet

Wat JPEG is voor afbeeldingen, MP3 voor audiobestanden en MPEG voor video's, zijn haptische codecs voor het overbrengen van de tastzin via internet. De 'Haptic Codecs for the Tactile Internet' (HCTI) legt de basis voor onder meer telechirurgie, teledriving en nieuwe online game-ervaringen.

Wanneer audio- of videobestanden via internet worden verzonden, is het proces vrij eenvoudig. Elke 20 ms wordt een datapakket samengesteld waar informatie die niet relevant is voor het menselijk zicht en gehoor al is uitgefilterd. Hierdoor wordt de hoeveelheid te versturen data verminderd. Informatie wordt slechts in één richting verzonden, naar de ontvanger.

Datareductie

Bij de overdracht van haptische informatie spelen zender en ontvanger een gelijkwaardige rol. Als bijvoorbeeld een robotarm van een afstand moet worden bewogen, geeft de gebruiker dit door zijn of haar beweging aan. Als de hand op de robotarm bijvoorbeeld een tennisbal vastpakt, kan de gebruiker dit al op afstand voelen. Informatie moet dus in beide richtingen stromen. Er ontstaat een globale regellus, waarin de commando's aan de robot in de afgelegen omgeving en de haptische feedback die teruggestuurd wordt naar de gebruiker, elkaar beïnvloeden. De overdracht van haptische informatie moet idealiter in 1 ms plaatsvinden, een snelheid die doorgaans wordt gebruikt bij fysieke interactie met robots.

Om de hoeveelheid te verzenden data te verminderen, zijn er zogenaamde codecs die gegevens coderen en decoderen voor verzending. Dit maakt een efficiënte gegevensoverdracht mogelijk. In IEEE 1918.1.1 wordt een codec gedefinieerd als een standaard voor tactiele gegevensoverdracht. Enerzijds registreert het de sensaties van bewegingen, dat wil zeggen de posities van de ledematen en de krachten die daarop inwerken. Ook registreert het de gevoeligheid van de huid, bijvoorbeeld om oppervlakken zoals papier of metaal te kunnen voelen. Deze twee haptische codecs worden aangevuld met een gestandaardiseerd protocol voor het uitwisselen van apparaat-eigenschappen (handshaking) bij het tot stand brengen van een verbinding.

4000 datapakketten per seconde

In tegenstelling tot de beeld-, audio- en videocompressiestandaarden was het voorheen gebruikelijk dat bij de overdracht van tactiele informatie, datapakketten tot 4.000 keer per seconde in beide richtingen werden verzonden. Dit stelt zeer hoge eisen aan het communicatienetwerk dat de datapakketten transporteert. Voordeel van de hoge frequentie is, dat bediening op afstand realistisch en de transmissie robuust is, zelfs als individuele datapakketten verloren gaan. Toch willen de onderzoekers de kloksnelheid terugbrengen tot ongeveer 100 keer per seconde. Dit ligt dicht bij de menselijke waarnemingsdrempel.

Onder de consortiumleiding van de Technische Universität München (TUM) is onlangs de norm IEEE 1918.1.1-2024 voor de compressie en overdracht van tastzin gepubliceerd. In 2014 is binnen de IEEE Standardization Association een werkgroep gestart met onderzoekers van onder meer het Imperial College in Londen, de New York University of Abu Dhabi (NYU Abu Dhabi), de Dalian University of Technology (China) en het Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). De TU München voert het consortiummanagement, met als doel een standaard voor haptische communicatie te ontwikkelen.

Voor de nieuwe compressiestandaard, kortweg HCTI genoemd, hebben de onderzoekers zowel de regellus tussen verzenden en ontvangen als de compressie van de gegevens geoptimaliseerd. Zelfs als datapakketten over grote afstanden worden verzonden, mag dit aan de andere kant van de lijn niet merkbaar zijn. De geïntegreerde regellus heeft een stabiliserende werking. De krachten die een robot gebruikt die ver weg staat, worden bijvoorbeeld enigszins gedempt. Harde oppervlakken voelen zachter aan.

Toepassingen

De standaard voor tactiele terugkoppeling zal interessant zijn voor verschillende toekomstige toepassingen.

• Telechirurgie. De nieuwe standaard vermijdt trillingen over elke afstand. Dit betekent dat een op afstand bediende operatierobot net zo goed ter plaatse kan worden ingezet. Experts van hartcentra in bijvoorbeeld München of New York kunnen voor bepaalde operaties worden ingeschakeld en zelf opereren.
• Teledriving. Bedrijven die zich bezighouden met autonoom rijden bieden momenteel al teleoperatiediensten aan. De chauffeurs zitten niet achter het stuur van het voertuig, maar in regelkamers van waaruit ze voertuigen op afstand besturen.
• Echografie in de ambulance. Reddingswerkers mogen eerste hulp verlenen aan mensen, maar zijn niet bevoegd om echobeelden te maken. In kritieke situaties zou een arts dit tijdens het transport naar het ziekenhuis kunnen doen.
• Gaming- en filmindustrie. HCTI maakt het mogelijk om computergames of films dichter bij de werkelijkheid te brengen en tastbaar te maken. Trillingen in de auto of middelpuntvliedende krachten in bochten kunnen via een exoskelet worden overgedragen.
• Inkopen. Als u kleding online koopt, hoeft u de producten niet te laten opsturen om erachter te komen hoe ze aanvoelen.
• Robotica. Bij inleren, handmatig aansturen of onderhoud van robotica voelt de operator of chirurg dat de beweging van de robot wordt beperkt.

Er ontstonden ook veel (soms onverwachte) toepassingen voor JPEG, MP3 en MPEG nadat de standaard openbaar was. De ontwikkelaars verwachten hetzelfde van de nieuwe haptische codecs.

Foto: Andreas Heddergott / TU München