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Somatosensory Interaction: Investigating Mechanoreception, Thermoception, and Proprioception for On-Body Haptic Feedback

Günther, Sebastian (2022):
Somatosensory Interaction: Investigating Mechanoreception, Thermoception, and Proprioception for On-Body Haptic Feedback. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00021617,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Somatosensory Interaction: Investigating Mechanoreception, Thermoception, and Proprioception for On-Body Haptic Feedback
Language: English
Abstract:

Haptics are an important factor to make virtual worlds and remote interpersonal interaction tangible. While current technological advances, such as Virtual Reality (VR), are reaching the mass market, they are primarily visual while available haptic devices are mostly limited to vibrotactile stimuli, such as smartphone notifications or embedded in game controllers. However, haptic feedback consists of more components that make an experience physically perceivable and lifelike. In addition to the vibrotactile stimulation of fine mechanoreception, these also incorporate stronger forces addressing pressure-based mechanoreception, temperature perceived by thermoception, and body position and movement perceived by proprioception, which are all parts of the somatosensory system. Consequently, to get closer to a full haptic experience, haptics need to be considered in the broader context of the complete somatosensory system.

In this thesis, novel haptic concepts will be introduced and implemented in prototypical systems to investigate them in a series of user studies, leading to a better understanding of somatosensory interaction. In this context, this dissertation provides six major contributions: (1) The first contribution presents a systematic investigation of fine and subtle mechanoreception involving vibrotactile stimuli on the hand for guidance and target acquisition. (2) The second contribution investigates more intense and pressure-based mechanoreception that employs pneumatically actuated air cushions to create immediate pressure sensations. (3) The third contribution on mechanoreception combines the findings of the previous two contributions and explores moving touches and stroke stimuli on the body, as well as their roughness perception in VR. (4) The fourth contribution addresses thermoception where the effects of cold and warm temperatures on the body are investigated within a VR environment. (5) The fifth contribution focuses on proprioception and kinesthesia and examines concepts for kinesthetic actuations that can evoke flexion and extension of body joints. (6) In a further contribution, a novel rapid prototyping platform is presented that considers the specific requirements for haptic actuations of the somatosensory system.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Haptik ist ein wichtiger Bestandteil, um virtuelle Welten und zwischenmenschliche Interaktion auf Distanz greifbar zu machen. Während aktuelle technologische Fortschritte wie Virtual Reality (VR) den Massenmarkt erreichen, sind sie in erster Linie visuell und verfügbare haptische Geräte meist auf vibrotaktile Stimuli beschränkt, z.B. durch Smartphone-Benachrichtigungen oder eingebettet in Game-Controller. Haptik besteht jedoch aus wesentlich mehr Aspekten, die ein Erlebnis erst physisch wahrnehmbar und lebensecht machen. Zusätzlich zur vibrotaktilen Stimulation der Feinmechanorezeption beinhaltet dies auch stärkere Kräfte, die die druckbasierte Mechanorezeption ansprechen, die Temperaturempfindung durch Thermorezeption und die Erfassung der Körperposition und -bewegung durch Propriozeption, welche alle zum somatosensorischen System gehören. Um daher einer umfassenden haptischen Erfahrung näher zu kommen, muss Haptik im breiteren Kontext des gesamten somatosensorischen Systems betrachtet werden.

In dieser Arbeit werden dazu neuartige haptische Konzepte vorgestellt und in Prototypen implementiert, um sie in systematischen Nutzerstudien für ein besseres Verständnis der somatosensorischen Interaktion zu untersuchen. In diesem Kontext leistet diese Dissertation sechs wesentliche Beiträge: (1) Der erste Beitrag stellt eine systematische Untersuchung der Feinmechanorezeption mit vibratotaktilen Reizen an der Hand für Guidance vor. (2) Der zweite Beitrag adressiert druckbasierte Mechanorezeption, bei der pneumatisch betätigte Luftkissen eingesetzt werden. (3) Der dritte Beitrag zur Mechanorezeption kombiniert die Erkenntnisse der beiden vorherigen Kapitel und untersucht Streichelreize am Körper sowie deren Wahrnehmung in Bezug auf ihre Rauheit. (4) Der vierte Beitrag behandelt die Thermozeption, indem Einflüsse von kalten und warmen Reizen in VR untersucht werden. (5) Der fünfte Beitrag widmet sich der Propriozeption und untersucht Konzepte für kinästhetische Aktuierungen, die eine Beugung und Streckung von Körperteilen auslösen. (6) In einem weiteren Beitrag wird zudem eine Rapid-Prototyping-Plattform eingeführt, welche die spezifischen Anforderungen haptischer Aktuierung für die somatosensorische Interaktion berücksichtigt.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiii, 329 Seiten
Uncontrolled Keywords: haptics, virtual reality, thermoception, proprioception, mechanoreception, somatosensory system
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
Divisions: 20 Department of Computer Science > Telecooperation
Date Deposited: 10 Aug 2022 12:06
Last Modified: 18 Aug 2022 06:07
DOI: 10.26083/tuprints-00021617
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-216175
Referees: Mühlhäuser, Prof. Dr. Max ; Saddik, Prof. Dr. Abdulmotaleb El
Date of oral examination: 29 April 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21617
PPN: 498287513
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