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Interfaces Homem Máquina em 2024 e Além

Published Date

Fonte: Lucija/stock.adobe.com

Introdução

Através do cinema e da TV, vimos a evolução das interfaces homem-máquina (IHMs) “futurísticas”, desde os muitos mostradores e alavancas da fábrica em Metrópolis até os hologramas de Star Trek e interfaces de toque e realidade aumentada (AR) de Minority Report. Até mesmo o módulo de comando para a interface holográfica 3D do futuro próximo do Universo Cinematográfico Marvel parece estar virando a esquina. Mas onde estamos hoje?

Este artigo se aprofunda na tecnologia das IHMs atuais, incluindo toque, gesto, voz e até interfaces cérebro-computador, e explica como cada uma foi implementada.


Introdução às IHMs

IHM - também conhecido como terminal de interface do operador, interface do operador local ou terminal do operador - é uma ampla categoria de tecnologia que aborda as inúmeras maneiras pelas quais os humanos podem se comunicar, controlar, receber feedback e programar máquinas. O termo poderia ser usado para descrever qualquer intermediário entre humanos e máquinas; entretanto, o termo é mais frequentemente usado quando se discute IHMs industriais, como consoles e terminais usados --para controlar e fornecer feedback para grandes sistemas industriais ou máquinas complexas. IHM pode se referir ao sistema usado para entrada de um operador, como um teclado ou controle de toque, o sistema de feedback ou qualquer combinação de tecnologias usadas para inserir e fornecer feedback de um sistema de máquina. As IHMs são frequentemente vistas em grandes setores, como comercial, industrial, automotivo, saúde e aeroespacial/defesa.

Historicamente, consoles de controle, teclados, controles de mouse, interfaces de linha de comando, interfaces gráficas de usuário (GUIs) e displays iluminados têm sido usados --para se comunicar com máquinas. Para aumentar a eficiência e simplificar o design da interface, muitos sistemas modernos estão migrando para computadores, tablets, smartphones e métodos de controle virtual com IHM mínima no local de um sistema.

Mais recentemente, as telas tácteis tornaram-se mais predominantes e os sistemas controlados por gestos e por voz são agora comuns. Várias novas tecnologias que aproveitam o controle por gestos e voz estão acelerando a adoção de tecnologias HMI mais modernas, incluindo AR e realidade virtual (VR).


Onde estão as IHMs Hoje

As projeções atuais preveem que o mercado de IHM crescerá a uma taxa composta de crescimento anual (CAGR) de aproximadamente 10,4 porcento, para US$ 11,6 bilhões, até 2030. Há uma demanda crescente por IHMs, à medida que muitos sistemas e máquinas industriais legados são substituídos, atualizados ou adaptados para tecnologias IHM mais modernas. Essas melhorias normalmente são feitas para aumentar a eficiência e fornecer um nível mais alto de dados operacionais e controle para se adequar às melhores técnicas modernas que aproveitam o aprendizado de máquina (ML), a inteligência artificial (IA) e análises sofisticadas.

As IHMs atuais são uma mistura de versões legadas de sistemas mais antigos ainda em operação, sistemas modernos e sistemas experimentais mais recentes que apresentam interfaces mais futurísticas. Tal como acontece com muitos sistemas industriais, as IHMs convencionais estão um pouco atrasadas em relação aos avanços tecnológicos nas IHMs devido à segurança, à necessidade de treinar operadores, à dinâmica de fornecedores e distribuidores e a outras dinâmicas de mercado. Pode levar anos ou décadas para que a nova tecnologia de IHM penetre em aplicações específicas, e algumas tecnologias de IHM herdadas são até incorporadas em padrões, protocolos de segurança e regulamentos.

A seguir estão apenas algumas das tecnologias IHM atuais:

  • Interface Console/Terminal (atuador físico)
  • Interface por Linha de Comando
  • GUI
  • Interface baseada na Web e na Nuvem
  • Interface de tela sensível ao toque (tela sensível ao toque)
  • Interface de tablet e smartphone (ou seja, usando hardware portátil conectado sem fio)
  • Interface baseada em gestos
  • Interface Controla ou Ativada por Voz
  • Controle de Voz/Interface Ativada por Voz
  • Interface Cérebro-Computador

Até recentemente, a maioria dos sistemas de máquinas usava interfaces baseadas em console e terminal, mas as interfaces de tela sensível ao toque agora são comumente incluídas em sistemas de máquinas modernizados. Outro avanço mais recente é a acessibilidade de interfaces controladas por smartphones e tablets. Muitas vezes, eles estão disponíveis por meio de aplicativos de fornecedores ou até mesmo de aplicativos de terceiros que aprimoram as opções de controle dos equipamentos existentes. Atualizações modulares ou sistemas completos de modernização estão disponíveis para muitos sistemas de máquinas legados com interfaces mais modernizadas, como tela sensível ao toque, interfaces baseadas na web/baseadas em nuvem e interfaces para tablet/smartphone.

Os sistemas controlados por voz que usam processos de linguagem natural habilitados por ML/IA são agora onipresentes em controladores domésticos inteligentes, alto-falantes e sistemas de entretenimento audiovisual – embora menos comumente usados --em sistemas industriais devido a razões de segurança. Em aplicações industriais e de saúde, as interfaces controladas por voz são muitas vezes apenas uma IHM secundária devido ao ritmo, às preocupações de segurança e à provável familiaridade dos usuários/operadores; a IHM primária geralmente é um método que envolve entrada tátil ou controle manual.

Para a maioria destes sistemas modernizados, as novas interfaces são normalmente módulos licenciados ou adquiridos diretamente pelos fabricantes ou fornecedores e geralmente não são projetados internamente. Este é um desvio significativo em relação ao passado, quando muitos fornecedores projetavam suas próprias interfaces de forma personalizada como parte do ciclo de desenvolvimento de produtos. O uso de módulos de terceiros para interfaces cria alguns desafios em termos de solução de problemas e atendimento ao cliente. Ainda assim, melhora muito um sistema de máquina para fornecer interfaces modernizadas que agora são muito mais complexas do que as interfaces legadas.

Os mais recentes participantes no mercado de IHM são AR/VR e interfaces cérebro-computador. Atualmente, os headsets AR/VR estão nos estágios iniciais de lançamento e são usados --com mais frequência para solução de problemas, manutenção, treinamento e avaliação de site/sistema.


Como as IHMs são Implementadas em 2024

Atualmente, as IHMs são feitas usando hardware e software convencionais e legados, que dependem de comunicações analógicas e digitais sem fio ou com fio para lidar com o tráfego de dados entre unidades centrais de processamento, microcontroladores e periféricos. A composição das IHMs modernas inclui protocolos de comunicação, processamento de informações, armazenamento, interfaces analógicas e digitais, além de software e sistemas operacionais.

Muitas IHMs modernas são feitas com microcontroladores ou sistemas de computador com uma ampla gama de interfaces digitais e periféricos integrados ao chipset principal. Isso permite que as organizações que desenvolvem IHMs adicionem rapidamente funções como Bluetooth®, Wi-Fi® e interfaces de comunicação USB; outros protocolos; e periféricos sem criar esses recursos do zero. Essa capacidade funcional beneficia a tendência de incluir recursos de IHM móvel (por exemplo, tablets e smartphones) e aplicativos junto com IHMs dedicadas. Os serviços em nuvem devem hospedar os aplicativos, mas os usuários muitas vezes podem acessá-los sem conectividade com a Internet se os aplicativos puderem se conectar diretamente via Bluetooth, Wi-Fi ou alguma outra interface comum. Dessa forma, um operador pode usar um tablet ou smartphone para controlar ou monitorar um sistema de máquina diretamente, sem estar próximo do sistema.

IHMs baseadas na Web, ou IHMs com portais web que permitem monitoramento de acesso e/ou controle, já existem há algumas décadas. Mais recentemente, serviços baseados em nuvem foram disponibilizados para dar suporte a essas Os recursos baseados na Internet para sistemas de máquinas podem até suportar vários sistemas de máquinas simultaneamente. Sistemas legados baseados na web normalmente exigem uma conexão direta com a IHM hospedada diretamente pelo portal da web. Em alguns casos, sistemas proprietários poderiam sondar e até permitir algum controle de IHMs conectadas à intranet. No entanto, os sistemas modernos baseados em nuvem são frequentemente suportados por produtos de software como serviço (SaaS) em nuvem que podem ser adaptados para vários sistemas de máquinas. Esses sistemas reconfiguráveis --e reprogramáveis --baseados em nuvem geralmente possuem recursos que fornecem análises, armazenamento de dados, automação e acesso remoto a partir de contas seguras. Esta função permite que operadores qualificados acessem os dados do sistema da máquina e os controlem local ou remotamente a partir de um terminal com acesso à IHM baseada em nuvem. Isto pode permitir que um operador opere vários sistemas de máquinas simultaneamente a partir do mesmo terminal, independentemente de onde as máquinas estejam localizadas. Tal capacidade é especialmente útil quando é necessário um operador altamente qualificado para completar uma tarefa com um sistema de máquina e o transporte desse operador é inviável.

Um exemplo dessa necessidade é a cirurgia remota (também conhecida como telecirurgia), onde um cirurgião qualificado pode operar equipamentos de cirurgia robótica remotamente através da Internet por meio de serviços IHM baseados em nuvem. A cirurgia remota proporcionou aos pacientes em locais remotos, ou que necessitam de tipos específicos de cirurgia, acesso a cirurgiões com conhecimentos específicos necessários para realizar uma determinada cirurgia sem que o cirurgião precise estar localizado perto do paciente. Os sistemas de cirurgia remota normalmente requerem uma interface de cirurgia robótica (ou seja, um console cirúrgico) que seja compatível com o equipamento cirúrgico automatizado no local. No entanto, avanços futuros poderão permitir que diversas interfaces de cirurgia robótica sejam compatíveis com diferentes tipos de sistemas de cirurgia robótica, expandindo ainda mais o acesso e a habilidade do operador com esses sistemas.

Embora os primeiros protótipos e métodos pioneiros de AR/VR tenham começado a aparecer há décadas, foi apenas nos últimos anos que esses sistemas IHM se tornaram mais predominantes. Com os avanços na miniaturização da computação e no desenvolvimento conjunto para produzir sistemas AR/VR mais fáceis de usar e práticos, os sistemas IHM AR/VR estão ganhando força na indústria. A VR é amplamente utilizada para exercícios de treinamento e controle remoto de sistemas. Uma limitação principal da implantação de IHMs VR é que o usuário geralmente desconhece intencionalmente o mundo exterior além da experiência virtual imersiva, o que pode ser perigoso ou complicado em muitos ambientes industriais. No entanto, usar VR como mecanismo de exibição e controle para sistemas robóticos remotos ou outros sistemas de máquinas é um caminho viável para IHMs de VR no futuro e está crescendo em popularidade. Um exemplo disso são os operadores de VR que podem controlar robôs móveis autônomos (AMR) para treinamento ou durante um evento de substituição.

AR está sendo usada como uma tecnologia capacitadora para aplicações como construção, solução de problemas, manutenção, inspeção, controle de qualidade, montagem e sistemas de treinamento. Exemplos de sistemas AR atuais incluem fones de ouvido com sobreposições de tela semelhantes a óculos que podem projetar ou ter telas transparentes que podem sobrepor informações críticas/telas de computador e pequenas telas dentro do campo de visão do usuário (por exemplo, Microsoft HoloLens, Lenovo ThinkReality, RealWear Navigator e Apple Vision Pro). Existem também sistemas AR que possuem sobreposições visuais completas, como óculos VR, que usam sistemas de câmeras e monitores para fornecer visão além dos óculos e sobreposições. No entanto, esta abordagem ainda é menos comum do que os óculos AR que fornecem capacidade transparente. As IHMs controladas por voz costumam ser combinadas com sistemas AR para permitir o controle dos óculos AR com as mãos livres. As tecnologias de ML/AI de processamento de linguagem natural geralmente permitem esses sistemas controlados por voz.

Por último, os esforços contínuos visam ser pioneiros e popularizar as interfaces cérebro-computador (BCIs) como IHMs. Eles ainda estão em fase experimental e, normalmente, sinais de ondas cerebrais de eletroencefalograma (EEG) ou eletromiografia (EMG) são usados --para derivar sinais de controle do usuário. No entanto, as interfaces cérebro-computador implantáveis --(BCIs) também podem detectar sinais cerebrais diretamente, e um usuário pode até ser treinado para operar esses sistemas como uma faculdade extra. Esforços futuros podem tentar fornecer comunicação bidirecional onde um shunt neural ou cortical possa interagir diretamente com um cérebro humano (por exemplo, o chip BCI implantável da Neuralink). Os casos de uso proeminentes para BCIs atualmente são ajudar pessoas com deficiência, restaurando sentidos perdidos (como implantes cocleares e globos oculares artificiais), aumentar as capacidades humanas, permitindo uma comunicação homem-máquina mais contínua, e facilitar a investigação do cérebro.


Conclusão

As IHMs estão evoluindo para permitir um controle mais avançado, configurável, intuitivo e contínuo das máquinas. À medida que as tecnologias de exibição, interface de controle e processamento de computador continuam a ser miniaturizadas e se tornarem mais familiares, IHMs mais avançadas estão sendo implantadas em vários setores. Onde as IHMs costumavam estar em um local fixo e dedicadas a um único sistema de máquina, agora as IHMs de dispositivos móveis, como tablets e smartphones ou sistemas AR/VR, podem ser usadas para controlar sistemas de máquinas em todo o mundo por meio de sistemas de Internet baseados em nuvem que são linhas duras ou até mesmo sem fio via 5G e Wi-Fi avançado. As futuras IHMs podem até ser interfaces cérebro-computador implantadas no cérebro do operador que fornecem informações visuais e podem ser usadas para processar sinais de controle do operador sem entrada física ou audível.

[1]

“Relatório de tamanho do mercado de interface homem-máquina, participação e análise de tendências por produto (terminais de exibição, software de interface, computadores industriais, outros), por aplicação, por região e previsões de segmento, 2023-2030,” Pesquisa e Mercados, outubro 2023, https://www.researchandmarkets.com/reports/5899530/human-machine-interface-market-size-share-and.

 [2]

Kavyanjali Reddy et al., "Avanços em Cirurgia Robótica: Uma Visão Geral Abrangente das Utilizações Atuais e Fronteiras Futuras." Cureus 15, não. 12 (dezembro de 2023): e50415, https://doi.org/10.7759/cureus.50415.

 [3]

Baraka Maiseli et al., "Interface cérebro-computador: Tendências, desafios e ameaças." Cérebro Informar 10, não. 1 (agosto de 2023): 20. https://doi.org/10.1186/s40708-023-00199-3.