Integração Homem-Máquina

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A evolução da interação homem-máquina progrediu de ferramentas simples, operadas manualmente, que exigem habilidade física, para sistemas eletrônicos sofisticados que confundem os limites entre humanos e máquinas. Inicialmente, ferramentas como guinchos e catapultas ampliaram as capacidades humanas, com interfaces manipuladas diretamente com as mãos ou os pés. Esta era de interfaces homem-máquina (IHMs) simples permitiu o progresso humano durante milênios, com até mesmo máquinas complexas, como locomotivas a vapor, sendo controladas por meio de alavancas e botões físicos. O advento da eletricidade marcou um salto significativo no design de IHM, introduzindo botões, interruptores e indicadores visuais, permitindo controle e comunicação com máquinas com mais nuances.

Hoje, o avanço da tecnologia desafia as fronteiras outrora distintas entre humanos e máquinas, conduzindo a uma nova era onde a integração e a interação com as máquinas são mais contínuas e interligadas, refletindo tanto as oportunidades como os desafios colocados por uma integração tão estreita entre o homem e a tecnologia.

Utilidade de uma IHM

A utilidade das IHMs aumentou significativamente com o advento dos displays gráficos e de caracteres, juntamente com a evolução da tecnologia touchscreen. Microcontroladores e processadores aprimoraram a capacidade das máquinas de armazenar preferências e agilizar operações, permitindo seleções de modo rápidas e eficientes. O desenvolvimento de controles de motores e feedback de força trouxe novos níveis de precisão à operação das máquinas. No entanto, o fascínio da tecnologia inovadora não significa necessariamente eficácia. Os primeiros sistemas de realidade virtual (VR), por exemplo, enfrentaram desafios com o rastreamento da cabeça em tempo real, causando desconforto ao usuário devido à desconexão entre o feedback visual esperado e o real.

IHMs eficazes priorizam a intuitividade e os requisitos mínimos de treinamento, aumentando sua utilidade evolutiva. Avanços como telas sensíveis ao toque e telas mais brilhantes transformaram a interação do usuário, embora desafios como recalibração e recursos de toque limitados nas primeiras versões fossem notáveis. A mudança para a tecnologia de toque de capacitância projetada avançou significativamente a funcionalidade da IHM, exemplificada pela ampla adoção de smartphones e tablets. A natureza intuitiva destes dispositivos permite uma rápida aprendizagem e operação sem formação extensiva, mesmo entre as crianças, que muitas vezes ultrapassam os adultos no domínio das novas tecnologias.

Um aspecto crítico do design da IHM é garantir o conforto do operador e minimizar a fadiga durante longos períodos de uso. As interfaces modernas, especialmente em tablets e smartphones, são concebidas para um envolvimento prolongado, embora isto suscite preocupações sobre um potencial vício. Além disso, as IHMs, como os heads-up displays na aviação, demonstram a importância de manter o foco e o conforto do operador durante sessões prolongadas. As considerações de design também devem abordar o risco de lesões por esforço repetitivo, sublinhando a importância da ergonomia no design de interfaces para apoiar a saúde e a produtividade do utilizador em vários contextos ocupacionais, desde o trabalho na linha de montagem até os ambientes de escritório.

Segurança de uma IHM

Os sistemas modernos de VR representam a vanguarda da tecnologia adotada pelo mainstream, com vários participantes importantes dominando o mercado e o potencial para mais à medida que os sistemas de realidade aumentada (AR) ganham popularidade. Ambas as tecnologias VR e AR se destacam na criação de experiências imersivas, melhorando ambientes de aprendizagem e treinamento, revolucionando o entretenimento e oferecendo novas maneiras de interagir com conteúdo digital.

Embora atualmente sejam mais comumente usadas para jogos, essas tecnologias serão mais utilizadas em controle industrial, automação de fábrica e centros de reparo para máquinas complexas. Sensores e detectores avançados permitem que a IHM saiba onde as mãos estão, ao mesmo tempo em que oferece suporte a novos gestos avançados, como espalhar-se ou mergulhar (Figura 1). Mesmo imerso em um ambiente virtual, interruptores e botões de controle portáteis podem ser usados --por meio de controladores sem fio.

Figura 1: Os sistemas VR e AR podem permitir uma melhor visualização de sistemas complexos, o que é útil para treinamento, reparo e manutenção de máquinas. (Fonte: Gorodenkoff/stock.adobe.com)

Os avanços na tecnologia, especialmente com acelerômetros e rastreamento preciso da cabeça, mitigaram os problemas de atraso dissociativo em ambientes virtuais, aumentando assim a segurança. No entanto, os desafios permanecem, como navegar por obstáculos invisíveis com fones de ouvido imersivos, necessitando de alertas de limites através de sinais visuais e auditivos. As esteiras omnidirecionais com sensores oferecem uma solução para movimentação segura em espaços virtuais, rastreando o movimento do usuário. AR apresenta uma alternativa mais segura ao sobrepor informações digitais ao mundo real, permitindo que os usuários realmente vejam os obstáculos. Esta tecnologia é particularmente benéfica em áreas especializadas como a aeroespacial, onde a AR pode simplificar tarefas complexas, como a reparação de motores a jato, destacando componentes, com a promessa de evoluir para suportar projeções 3D para interações mais intuitivas.

As tecnologias de reconhecimento de gestos em headsets AR permitem controle e interação precisos, melhorando a eficiência das tarefas em diversas aplicações, incluindo reparos complexos de máquinas guiados por sinais audiovisuais. Esses sistemas não apenas melhoram o desempenho das tarefas, mas também permitem a detecção de falhas além da capacidade humana. No entanto, para aplicações em controle industrial e operações militares remotas, como a pilotagem de drones, as IHMs devem equilibrar sensibilidade e robustez, garantindo confiabilidade sob condições como explosões próximas ou movimentos não intencionais do operador, com mecanismos de segurança para evitar ações não intencionais.

Economia de uma IHM

Para implementar uma IHM avançada, os principais subconjuntos devem estar instalados. Graças ao crescimento explosivo de telefones celulares e tablets, telas de alta resolução e baixo custo estão prontamente disponíveis e são econômicas. O mesmo acontece com acelerômetros e câmeras de vídeo pequenas, de baixo custo e de alta resolução. Aplicações de alto volume podem aproveitar essas tecnologias a custos mais baixos do que nunca. 

As interfaces VR geralmente utilizam telas de cristal líquido com transistor de filme fino (TFT LCD), enquanto as tecnologias AR preferem telas de diodo orgânico emissor de luz (OLED) por sua transparência, flexibilidade e falta de requisitos de luz de fundo. Apesar dos custos mais elevados e da menor maturidade da atual tecnologia OLED, as indústrias de TV e smartphones estão adotando rapidamente a tecnologia, indicando futuras reduções de custos e melhorias na disponibilidade.

No domínio militar e aeroespacial, os projetos de IHM priorizam durabilidade e longevidade. No entanto, nem todas as aplicações exigem um tempo médio entre falhas (MTBF) tão prolongado. Uma equipe de projeto qualificada é crucial para equilibrar durabilidade com economia e reparabilidade para evitar falhas em campo. Entretanto, a prática da obsolescência planejada por parte de alguns fabricantes visa encorajar atualizações periódicas para modelos mais recentes, destacando um equilíbrio entre a longevidade do produto e os ciclos de inovação.

Estado Atual das IHMs

Tablets e telefones têm substituído cada vez mais desktops e laptops para tarefas como navegação pessoal, streaming de mídia, funções básicas de escritório, como e-mail e edição de documentos, e até mesmo em alguns ambientes empresariais onde laptops com tela sensível ao toque combinam comunicação tradicional. conciliando a portabilidade e a interface intuitiva dos dispositivos móveis.

No entanto, existem aplicações onde este não será o caso, como projetos CAD e CAE. Por exemplo, telas grandes e de alta resolução tornam o projeto de uma placa de circuito impresso (PCB) mais fácil, menos estressante e menos sujeito a erros. Não se surpreenda se um fabricante inteligente de CAE começar a oferecer uma ferramenta de layout de PCB ou chip baseada em VR que aproveite imagens e interfaces avançadas, como reconhecimento de fala.

O reconhecimento de fala já percorreu um longo caminho, mas quase qualquer pessoa que use aplicativos de fala para texto sabe que ainda não é perfeito. Isto continuará a melhorar à medida que a tecnologia avançada de processamento de sinais digitais (DSP) estiver sendo usada para filtrar ruídos de fundo e discernir sutilezas e continuará a melhorar até o ponto de confiabilidade aceita quando o hardware de IA começar a tomar decisões e considerar o contexto.

O Toque Invisível

Parte integrante das IHMs modernas e futuras é a capacidade de obter feedback físico de uma máquina virtual. O campo emergente da sensação ao toque fornece essa funcionalidade, mas ainda não economicamente em grande escala. O feedback tátil representa um salto na forma como interagimos com sistemas virtuais, oferecendo sensações táteis que imitam experiências da vida real. Embora as interações tradicionais muitas vezes dependam da resposta tátil de botões ou interruptores, tecnologias mais recentes, como sensação tátil, comandos de voz e reconhecimento de gestos, estão ampliando o escopo de como podemos interagir com máquinas sem a necessidade de contato físico, melhorando a experiência do usuário em IHMs virtuais.

Por exemplo, alguns sistemas hápticos já existentes no mercado podem fornecer feedback físico positivo para apertar um botão virtual através de uma luva que utiliza micros solenoides, pressão de ar ou transferência de fluidos (Figura 2). A sensação ao toque com vários dedos pode ser útil ao digitar em um teclado virtual. Existem até matrizes de emissores ultrassônicos que podem direcionar frentes de onda para um ponto específico no ar, fazendo você sentir um clique quando não há nada lá.

Figura 2: Luvas hápticas avançadas detectam e respondem com precisão aos movimentos das mãos e dos dedos e podem produzir cliques táteis, pressões e até temperaturas. (Fonte: Александр Лобач/stock.adobe.com) 

Algumas aplicações, como cirurgia remota, exigem feedback tátil além de simples cliques, necessitando de feedback de força preciso para simular ações como a resistência sentida ao usar ferramentas como bisturis. Esta experiência imersiva exige baixa latência e feedback preciso para garantir que os cirurgiões possam aplicar a pressão correta. Além das luvas, produtos como cadeiras de jogos de última geração oferecem forças G simuladas para experiências realistas de direção ou voo.

Interfaces Neurais e Além

A pesquisa e o desenvolvimento em interfaces neurais tiveram avanços significativos na última década, oferecendo novas possibilidades de mobilidade e função para indivíduos com deficiências causadas por acidentes ou condições congênitas. Inicialmente, sensores de superfície detectaram impulsos nervosos ou movimentos musculares para controlar membros protéticos. Os avanços nas tecnologias DSP e no poder da computação permitiram um controle mais complexo e multissensor de membros artificiais com treinamento.

Um desenvolvimento fundamental na tecnologia de interface neural foi a inserção direta de eletrodos no corpo, incluindo o cérebro, para tratar doenças como a doença de Parkinson e para facilitar a estimulação cardíaca. Uma conquista inicial notável foi uma interface de biossilício criada na década de 1970 que conectava neurônios de lesmas a circuitos integrados (ICs), aproveitando os grandes neurônios de lesmas para pesquisas pioneiras em interfaces neurais.

Essa base levou a interfaces sofisticadas de multissensores/estimuladores capazes de conectar ICs diretamente ao cérebro humano. Um avanço histórico ocorreu em 2004, quando um artista daltônico recebeu um implante que lhe permitiu perceber cores além do espectro visual normal, do infravermelho ao ultravioleta. Isso não apenas compensou sua acromatopsia (daltonismo total), mas também melhorou suas capacidades sensoriais, marcando um passo significativo em direção ao aumento das habilidades humanas por meio da tecnologia.

Em avanços mais recentes, a Neuralink Corp. desenvolveu um chip para fazer interface com áreas do cérebro responsáveis --pelo controle motor, permitindo aos usuários operarem dispositivos como telefones celulares e computadores através do pensamento. Esta tecnologia baseia-se na detecção de padrões de disparo de neurônios, com possíveis aplicações futuras que incluem restauração da função motora, controle da dor e aprimoramento sensorial, como permitir a visão no espectro infravermelho ou a audição em frequências ultrassônicas (Figura 3). A pesquisa sobre a decodificação da atividade neural está em andamento, com possíveis aplicações que vão desde o monitoramento do humor e da saúde até a identificação preventiva de comportamentos violentos, mostrando as capacidades amplas e evolutivas das interfaces neurais.

Figura 3: Conceito artístico de um chip implantado no cérebro. (Fonte: peterschreiber.media/stock.adobe.com) 

Outros usos para interfaces implantadas no cérebro

As interfaces neurais prometem aplicações transformadoras em entretenimento, mídia detecção cal, intervenção e regulação do humor. Estas tecnologias deverão ir além das utilizações tradicionais no controle de máquinas e nas próteses médicas, revolucionando potencialmente a forma como interagimos com ambientes digitais e gerimos a saúde. Interfaces neurais avançadas poderiam permitir experiências de entretenimento totalmente imersivas, simulando sensações inteiramente dentro da mente do usuário e anunciando uma nova era de realidade virtual e aumentada.

Na área da saúde, as interfaces neurais poderão em breve detectar e tratar preventivamente condições médicas, como convulsões, ataques cardíacos e derrames, graças a sensores incorporados capazes de administrar medicamentos e alertar automaticamente os profissionais de saúde. Além disso, essas interfaces poderiam oferecer abordagens inovadoras para gerenciar alterações de humor e depressão, monitorando a química cerebral em tempo real para manter o bem-estar mental.

Embora o amplo potencial das interfaces neurais seja claro, ele também sublinha a necessidade de uma consideração cuidadosa da privacidade, do consentimento e da autonomia para garantir o seu desenvolvimento e aplicação ética.

Conclusão

Os avanços nas IHMs evoluíram de ferramentas básicas para sistemas avançados que confundem os limites entre tecnologia e biologia. Os primeiros controles mecânicos evoluíram para interfaces eletrônicas sofisticadas, oferecendo controle e feedback precisos. O desenvolvimento de interfaces neurais aumenta a mobilidade das pessoas com deficiência e abre caminho para a comunicação direta entre cérebro e computador. As IHMs de última geração proporcionam agora experiências imersivas e controle aprimorado, com inovações futuras prometendo integrar ainda mais a tecnologia nas experiências humanas, desde melhorias sensoriais até intervenções médicas. À medida que as IHMs avançam, elas prometem expandir as capacidades humanas e melhorar a qualidade de vida, apontando para um futuro onde a tecnologia e a vida humana estarão perfeitamente conectadas.

[1] Bárbara Symonds Beltz. “O sistema salivar de Limax Maximus: morfologia e modulação periférica de neurônios bucais por aferentes do ducto salivar.” Dissertação de doutorado, Universidade de Princeton, 1979. ProQuest (7928466).

 [2]

 Michelle Z. Donahue, “Como um artista daltônico se tornou o primeiro ciborgue do mundo”, National Geographic, 3 de abril de 2017, https://www.nationalgeographic.com/science/article/worlds-first-cyborg- ciência da evolução humana.

[3]

 Denise Chow, “Behind Elon Musk's Brain Chip: Decades of Research and Elefty Ambitions to Meld Minds with Computers”, NBCNews.com, 4 de fevereiro de 2024, https://www.nbcnews.com/science/science-news /neuralink-elon-musk-science-behind-rcna136352.