Perception by Palpation: Development and Testing of a Haptic Ferrogranular Jamming Surface

Abstract

Denne masteroppgaven beskriver konseptutviklingsprosessen av et haptisk brukergrensesnitt ment for trening på palpasjon. Utviklingsprosessen involverer utforskning, design, bygging og testing av konseptet. Inspirasjonen kommer fra behovet for å forbedre palperingstrenere i medisinsk opplæringsutstyr. Palpering er en medisinsk-diagnostisk undersøkelse der medisinsk personell bruker følelsesansen for å lete etter taktile forskjeller som for eksempel svulster og væskeansamlinger, i tillegg til endring i tekstur eller smerterespons. Dagens statiske palperingstrenere gir ikke muligheten for et fleksibelt grensesnitt, som resulterer i oppgavespesifikke trenere med et gitt antall oppgaver.

Derfor har jeg utforsket muligheten for å utvikle en adaptiv palperingstrener. Forskningsområdet som omhandler myke aktueringsmetoder ble brukt som utgangspunkt. Dette området henter inspirasjon fra levende organisme, noe som gjør det brukbart for å etterligne menneskekroppen. Et prinsipp hentet fra myk aktuering er ‘granular jamming’, som har blitt brukt i haptiske grensesnitt før. Det som gjør teknologien presentert i denne oppgaven nyskapende, er introduksjonen av ferromagnetiske partikler. Det finnes ingen annen forskning på bruk av ferropartikler i haptiske grensesnitt som utnytter prinsippet om ‘granular jamming’.

Et eksperiment ble gjennomført for å undersøke om konseptet kan brukes som et haptisk brukergrensesnitt. Deltagere (N=28) med ingen erfaring med palpasjon eller grensesnittet ble vurdert på deres evne til å lokalisere forskjellige uregelmessigheter ved hjelp av berøringssansen i fingrene. Data av vakuumnivå og hardhet til uregelmessigheten ble samlet inn. Resultatene viser at alle deltagerne fant uregelmessighetene, og kunne karakterisere formen og hardheten. Arbeidet som er presentert, inkludert artikkelen, har lagt et fundament for videre utvikling av grensesnittet og forskning på til menneskers palperingsegenskaper.

This master's thesis presents the development process of a haptic interface concept for palpation training, including exploration, designing, building and testing. The inspiration for the development comes from the need to improve palpation trainers in medical simulation training. Palpation is an examination technique where medical personnel uses their sense of touch to look for tactile clues such as irregularities (lumps or fluids), texture or location of pain points. Today's static case-specific models' palpation trainers do not offer a flexible output, resulting in task-specific functionalities and just a fixed number of study cases. Therefore, I developed an adaptive palpation trainer. The solution was found in soft robotics principles, as these can imitate organic behavior suited for medical training. One type of soft principle, called granular jamming, was deemed interesting as this principle has been used in haptic interfaces. Introducing granules with ferromagnetic properties in a haptics context has not been done before.

A concept was developed. The ferrogranule is placed in a flexible, vacuum-sealed chamber connected to a vacuum source. When the vacuum level is adjusted, the hardness of the irregularity is altered. Using magnets to manipulate the ferrogranule, it is possible to alter the position, form and hardness of the irregularity. The irregularity is palpable, meaning the physical characteristics can be recognized by the sense of touch.

A psychophysical experiment with 28 participants was conducted to examine the suggested concept. The experiment assesses novice participants' abilities to locate and characterize rendered irregularities using palpation and collects objective data on vacuum level and durometric hardness. The results from testing were promising as all participants were able to localize all rendered irregularities. We can see that the haptic interface can successfully render the tactile aspects of the irregularity and that users can locate and characterize it by palpation. The work presented, including the research paper, is a solid foundation for further development of the technology.