Interfaces Hombre Máquina en 2024 y más Allá

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Introducción

A través del cine y la televisión, hemos visto la evolución de las interfaces hombre-máquina (IHM) "futuristas", desde los numerosos diales y palancas de la fábrica de Metrópolis hasta los hologramas de Star Trek y las interfaces táctiles y de realidad aumentada (AR) de Minority. Informe. Incluso el módulo de comando para la interfaz holográfica 3D del futuro cercano Marvel Cinematic Universe parece estar a la vuelta de la esquina. ¿Pero dónde estamos hoy?

Este artículo profundiza en la tecnología de las IHM actuales, incluidas las interfaces táctiles, de gestos, de voz e incluso cerebro-computadora, y explica cómo se ha implementado cada una.

Introducción a las IHM

IHM, también conocida como terminal de interfaz de operador, interfaz de operador local o terminal de operador, es una categoría amplia de tecnología que aborda las innumerables formas en que los humanos pueden comunicarse con las máquinas, controlarlas, recibir retroalimentación y programarlas. El término podría usarse para describir cualquier intermediario entre humanos y máquinas; sin embargo, el término se utiliza con mayor frecuencia cuando se habla de IHM industriales, como las consolas y terminales utilizados para controlar y proporcionar retroalimentación a grandes sistemas industriales o máquinas complejas. IHM puede referirse al sistema utilizado para la entrada de un operador, como un teclado o control táctil, el sistema de retroalimentación o cualquier combinación de tecnologías utilizadas para ingresar y proporcionar retroalimentación desde un sistema de máquina. Las IHM se ven a menudo en industrias importantes como la comercial, industrial, automotriz, sanitaria y aeroespacial/defensa.

Históricamente, para comunicarse con las máquinas se han utilizado consolas de control, teclados, controles de computadora con mouse, interfaces de línea de comandos, interfaces gráficas de usuario (GUI) y pantallas luminosas. Para mejorar la eficiencia y agilizar el diseño de la interfaz, muchos sistemas modernos se están trasladando a computadoras, tabletas, teléfonos inteligentes y métodos de control virtual con una IHM mínima en el sitio de un sistema.

Más recientemente, las pantallas táctiles se han vuelto más frecuentes y los sistemas controlados por gestos y por voz ahora son comunes. Varias tecnologías nuevas que aprovechan el control por gestos y voz están acelerando la adopción de tecnologías IHM más modernas, incluidas AR y realidad virtual (VR).

Donde IHM son hoy

Las proyecciones actuales predicen que el mercado de IHM crecerá a una tasa de crecimiento anual compuesta (CAGR) de aproximadamente el 10,4 por ciento a 11.6 mil millones de dólares para 2030. Existe una demanda creciente de IHM a medida que muchos sistemas y máquinas industriales heredados se reemplazan, actualizan o adaptan a tecnologías IHM más modernas. Estas mejoras generalmente se realizan para mejorar la eficiencia y proporcionar un mayor nivel de control y datos operativos para adaptarse mejor a las técnicas modernas que aprovechan el aprendizaje automático (ML), la inteligencia artificial (IA) y análisis sofisticados.

Las IHM actuales son una combinación de versiones heredadas de sistemas más antiguos que aún están en funcionamiento, sistemas modernos y sistemas experimentales más recientes que cuentan con interfaces más futuristas. Como ocurre con muchos sistemas industriales, las IHM convencionales van algo por detrás de los avances tecnológicos en las IHM debido a la seguridad, la necesidad de capacitar a los operadores, la dinámica de proveedores y distribuidores, y otras dinámicas del mercado. Pueden pasar años o décadas hasta que la nueva tecnología IHM penetre en aplicaciones específicas, y algunas tecnologías IHM heredadas incluso están integradas en estándares, protocolos de seguridad y regulaciones.

Las siguientes son sólo algunas de las tecnologías IHM actuales:

• Interfaz de consola/terminal (actuador físico)
• Interfaz de línea de comandos
• GUI
• Interfaz basada en web y en la nube
• Interfaz de pantalla táctil (pantalla táctil)
• Interfaz de tableta y teléfono inteligente (es decir, utilizando hardware portátil conectado de forma inalámbrica)
• Interfaz basada en gestos
• Control por voz/interfaz activada por voz
• Auriculares AR y VR e interfaz de accesorios de control
• Interfaz cerebro-computadora

Hasta hace poco, la mayoría de los sistemas de máquinas utilizaban interfaces basadas en consolas y terminales, pero las interfaces de pantalla táctil ahora se incluyen comúnmente en los sistemas de máquinas modernizados. Otro avance más reciente es la accesibilidad de interfaces controladas por teléfonos inteligentes y tabletas. Suelen estar disponibles a través de la aplicación de un proveedor o incluso de aplicaciones de terceros que mejoran las opciones de control de los equipos existentes. Se encuentran disponibles actualizaciones modulares o sistemas de modernización completos para muchos sistemas de máquinas heredados con interfaces más modernizadas, como interfaces de pantalla táctil, basadas en web/en la nube y de tableta/teléfono inteligente.

Los sistemas controlados por voz que utilizan procesos de lenguaje natural habilitados por ML/AI ahora son omnipresentes en controladores domésticos inteligentes, parlantes y sistemas de entretenimiento audiovisual, aunque se usan menos comúnmente en sistemas industriales debido a razones de seguridad. En aplicaciones industriales y sanitarias, las interfaces controladas por voz suelen ser solo una IHM secundaria debido al ritmo, las preocupaciones de seguridad y la probable familiaridad de los usuarios/operadores; La IHM principal suele ser un método que implica entrada táctil o control manual.

Para la mayoría de estos sistemas modernizados, las nuevas interfaces suelen ser módulos con licencia o adquiridos directamente por fabricantes o proveedores y, por lo general, no están diseñados internamente. Esta es una desviación significativa del pasado, cuando muchos proveedores diseñaban sus propias interfaces a medida como parte del ciclo de desarrollo del producto. El uso de módulos de terceros para las interfaces crea algunos desafíos en términos de resolución de problemas y servicio al cliente. Aún así, mejora enormemente el sistema de una máquina al proporcionar interfaces modernizadas que ahora son mucho más complejas que las interfaces heredadas.

Los últimos participantes en el mercado IHM son AR/VR y las interfaces cerebro-computadora. Actualmente, los cascos AR/VR se encuentran en las primeras etapas de lanzamiento y se utilizan con mayor frecuencia para resolución de problemas, mantenimiento, capacitación y evaluación de sitios/sistemas.

Cómo se implementarán las IHM en 2024

Actualmente, las IHM se fabrican utilizando hardware y software convencional y heredado, que dependen de comunicaciones analógicas y digitales inalámbricas o por cable para manejar el tráfico de datos entre unidades centrales de procesamiento, microcontroladores y periféricos. La composición de las IHM modernas incluye protocolos de comunicación, procesamiento de información, almacenamiento, interfaces analógicas y digitales, y software y sistemas operativos.

Muchas IHM modernas están fabricadas con microcontroladores o sistemas informáticos con una amplia gama de interfaces digitales y periféricos integrados en el chipset principal. Esto permite a las organizaciones que desarrollan IHM agregar rápidamente funciones como Bluetooth®, Wi-Fi® e interfaces de comunicación USB; otros protocolos; y periféricos sin crear estas características desde cero. Esta capacidad funcional beneficia la tendencia de incluir funciones y aplicaciones de IHM móviles (por ejemplo, tabletas y teléfonos inteligentes) junto con IHM dedicadas. Los servicios en la nube deben alojar las aplicaciones, pero los usuarios a menudo pueden acceder a ellas sin conexión a Internet si las aplicaciones pueden conectarse directamente a través de Bluetooth, Wi-Fi o alguna otra interfaz común. De esta manera, un operador puede utilizar una tableta o un teléfono inteligente para controlar o monitorear un sistema de máquina directamente sin estar cerca del sistema.

Las IHM basadas en web, o IHM con portales web que permiten monitorear el acceso y/o control, existen desde hace algunas décadas. Más recientemente, han estado disponibles servicios basados --en la nube para respaldar estas funciones basadas en Internet para sistemas de máquinas, e incluso pueden admitir varios sistemas de máquinas simultáneamente. Los sistemas heredados basados --en web normalmente requieren una conexión directa con la IHM alojada directamente en el portal web. En algunos casos, los sistemas propietarios podrían sondear e incluso permitir cierto control de las IHM conectadas a la intranet. Sin embargo, los sistemas modernos basados --en la nube suelen estar respaldados por productos de nube de software como servicio (SaaS) que pueden adaptarse a varios sistemas de máquinas. Estos sistemas reconfigurables y reprogramables basados --en la nube a menudo tienen características que brindan análisis, almacenamiento de datos, automatización y acceso remoto desde cuentas seguras. Esta función permite a los operadores cualificados acceder a los datos del sistema de la máquina y controlarlos de forma local o remota desde un terminal con acceso a la IHM basada en la nube. Esto puede permitir a un operador operar varios sistemas de máquinas simultáneamente desde el mismo terminal, independientemente de dónde estén ubicadas las máquinas. Esta capacidad es especialmente útil cuando se necesita un operador altamente capacitado para completar una tarea con un sistema de máquina y transportar ese operador no es factible.

Un ejemplo de tal necesidad es la cirugía remota (también conocida como telecirugía), donde un cirujano capacitado puede operar equipos de cirugía robótica de forma remota a través de Internet a través de servicios IHM basados --en la nube. La cirugía remota ha proporcionado a los pacientes en ubicaciones remotas, o a aquellos que necesitan tipos particulares de cirugía, acceso a cirujanos con la experiencia específica necesaria para realizar una cirugía determinada sin que el cirujano necesite estar ubicado cerca del paciente. Los sistemas de cirugía remota generalmente requieren una interfaz de cirugía robótica (es decir, una consola quirúrgica) que sea compatible con el equipo quirúrgico automatizado en el sitio. Sin embargo, los avances futuros podrían permitir que varias interfaces de cirugía robótica diferentes sean compatibles con diferentes tipos de sistemas de cirugía robótica, ampliando aún más el acceso y la habilidad del operador con estos sistemas.

Aunque los primeros prototipos y métodos pioneros de AR/VR comenzaron a aparecer hace décadas, sólo en los últimos años estos sistemas IHM se han vuelto más frecuentes. Con avances en la miniaturización informática y el desarrollo concertado para producir sistemas AR/VR que sean más prácticos y fáciles de usar, los sistemas IHM AR/VR están ganando terreno en la industria. La realidad virtual se utiliza principalmente para ejercicios de entrenamiento y control remoto de sistemas. Una limitación principal de la implementación de IHM de realidad virtual es que un usuario generalmente desconoce intencionalmente el mundo exterior más allá de la experiencia virtual inmersiva, lo que puede ser peligroso o engorroso en muchos entornos industriales. Sin embargo, el uso de la realidad virtual como mecanismo de visualización y control para sistemas robóticos remotos u otros sistemas de máquinas es un camino viable para las IHM de realidad virtual en el futuro, y su popularidad está creciendo. Un ejemplo de esto son los operadores de realidad virtual que pueden controlar robots móviles autónomos (AMR) para entrenamiento o durante un evento de anulación.

La RA se utiliza como tecnología habilitadora para aplicaciones como construcción, resolución de problemas, mantenimiento, inspección, control de calidad, montaje y sistemas de formación. Los ejemplos de sistemas AR actuales incluyen auriculares con superposiciones de pantalla similares a gafas que pueden proyectar o tener pantallas transparentes que pueden superponer información crítica/pantallas de computadora y pantallas pequeñas dentro del campo de visión de un usuario (por ejemplo, Microsoft HoloLens, Lenovo ThinkReality, RealWear). Navegador y Apple Vision Pro). También hay sistemas AR que tienen superposiciones visuales completas, como gafas VR, que utilizan sistemas de cámara y pantallas para proporcionar visión más allá de las gafas y las superposiciones. Sin embargo, este enfoque es aún menos común que las gafas AR que brindan capacidad transparente. Las IHM controladas por voz a menudo se combinan con sistemas AR para permitir el control de las gafas AR con manos libres. Las tecnologías ML/AI de procesamiento del lenguaje natural suelen permitir estos sistemas controlados por voz.

Por último, se están realizando esfuerzos para ser pioneros y popularizar las interfaces cerebro-computadora (BCI) como IHM. Estos todavía se encuentran en las fases experimentales y, por lo general, se utilizan señales de ondas cerebrales de electroencefalograma (EEG) o electromiografía (EMG) para derivar señales de control del usuario. Sin embargo, las interfaces cerebro-computadora (BCI) implantables también pueden detectar señales cerebrales directamente, e incluso se puede capacitar a un usuario para operar estos sistemas como una facultad adicional. Los esfuerzos futuros pueden intentar proporcionar comunicación bidireccional donde una derivación neuronal o cortical pueda interactuar directamente con un cerebro humano (por ejemplo, el chip BCI implantable de Neuralink). Los casos de uso más destacados de las BCI actualmente son ayudar a las personas con discapacidades restaurando los sentidos perdidos (como los implantes cocleares y los globos oculares artificiales), aumentar las capacidades humanas al permitir una comunicación más fluida entre humanos y máquinas y facilitar la investigación del cerebro.

Conclusión

Las IHM están evolucionando para permitir un control de las máquinas más avanzado, configurable, intuitivo y fluido. A medida que las tecnologías de visualización, interfaz de control y procesamiento informático continúan miniaturizándose, A medida que nos familiarizamos más, se están implementando IHM más avanzadas en diversas industrias. Mientras que las IHM solían estar en una ubicación fija y dedicadas a un solo sistema de máquina, ahora las IHM de dispositivos móviles, como tabletas y teléfonos inteligentes o sistemas AR/VR, se pueden usar para controlar sistemas de máquinas en todo el mundo a través de sistemas de Internet basados --en la nube que son Líneas duras o incluso inalámbricas a través de 5G y Wi-Fi avanzado. Las IHM futuras podrían incluso ser interfaces cerebro-computadora implantadas en el cerebro de un operador que proporcionen información visual y puedan usarse para procesar señales de control del operador sin entrada física o audible.

[1]

“Informe de análisis de tendencias, participación y tamaño del mercado de interfaz hombre-máquina por producto (terminales de visualización, software de interfaz, PC industriales, otros), por aplicación, por región y pronósticos de segmento, 2023-2030”, Research and Markets, octubre 2023, https://www.researchandmarkets.com/reports/5899530/human-machine-interface-market-size-share-and.

 [2]

Kavyanjali Reddy et al., "Avances en cirugía robótica: una descripción general completa de las utilizaciones actuales y las próximas fronteras". Cureo 15, núm. 12 (diciembre de 2023): e50415, https://doi.org/10.7759/cureus.50415.

 [3]

Baraka Maiseli et al., "Interfaz cerebro-computadora: tendencias, desafíos y amenazas". Cerebro Informe 10, no. 1 (agosto de 2023): 20. https://doi.org/10.1186/s40708-023-00199-3.