Jak działa ekran dotykowy?

Wbrew pozorom ekran dotykowy nie jest wynalazkiem ostatnich lat. Pierwszy ekran tego typu powstał bowiem jeszcze na początku lat 70. i – jak każdy sukces – ma wielu ojców. Szukając nazwiska wynalazcy ekranu dotykowego, możemy trafić na co najmniej dwie postaci – doktora Samuela Hursta z Uniwersytetu w Kentucky i duńskiego inżyniera Benta Stumple'a, pracującego w CERN-ie.

Skąd brak pewności, komu przypisać pierwszeństwo? Wszystko zależy od tego, co uznamy za ekran dotykowy i gdy nie zaliczymy do niego stosowanych od ponad pół wieku rozwiązań, wykorzystujących tzw. pióro świetlne. Pomysły zastosowania takiego ekranu pojawiły się wcześnie - jeszcze w latach 60. rozważano wykorzystanie takiego rozwiązania m.in. na stanowiskach pracy kontrolerów ruchu lotniczego.

Na użycie tego pomysłu w praktyce trzeba było jednak trochę poczekać. Trochę, czyli do 1971 roku, kiedy to w krainie smażonych kurczaków, Kentucky, Sam Hurst opracował "sensor dotykowy", często uznawany za pierwszy ekran dotykowy w historii.

To błąd – sensor Hursta, opatentowany przez niego pod nazwą Elograph, był bowiem nieprzezroczysty i przypominał raczej tablet graficzny. Zastosowanie go w roli współcześnie rozumianego ekranu dotykowego nie wchodziło zatem w grę.

Prace nad podobnym rozwiązaniem prowadzono również po drugiej stronie Atlantyku w laboratorium CERN, gdzie budowano właśnie akcelerator SPS (Super Proton Synchrotron). Ten odległy o dwa pokolenia przodek Niszczyciela Światów, jakim dla niektórych jest Wielki Zderzacz Hadronów, musiał być jakoś sterowany.

Panel kontrolny akceleratora skonstruował Bent Stumple. Nie był to ekran dotykowy we współczesnym rozumieniu tego słowa, ale nakładka będąca dalekim protoplastą współczesnych ekranów pojemnościowych.

Inżynierowie z CERN-u byli jednak bardziej skupieni na tym, by skutecznie rozpędzać protony, niż na tworzeniu ekranów dotykowych. Nic zatem dziwnego, że kolejny przełom nastąpił za sprawą tego, kto tematem zajął się na poważnie.

Był nim wspomniany już Sam Hurst, który założył firmę Elographics i kontynuował prace nad udoskonaleniem Elografu. Wysiłek się opłacił. Już w 1973 roku udało się zbudować przezroczysty ekran dotykowy, a w 1977 zastosowano w nim technologię stosowaną do dziś w ekranach oporowych, zwanych również rezystancyjnymi.

Wraz z pierwszymi ekranami pojawiły się pierwsze próby ich zastosowania. Pionierem był Uniwersytet Illinois, na którym już w 1972 roku zastosowano interfejs dotykowy do obsługi pierwszej komputerowej platformy edukacyjnej o nazwie PLATO (Programmed Logic for Automatic Teaching Operation).

O samym PLATO można pisać wiele, bo w gruncie rzeczy był prekursorem wszystkiego, czym jest współczesna Sieć. Choć powstał jako platforma edukacyjna, to w praktyce jako pierwszy umożliwiał spotkania online, był protoplastą wirtualnych społeczności, pierwszą platformą gier sieciowych, pierwszym generatorem cyfrowej muzyki… Lista innowacji jest bardzo, bardzo długa.

W szczytowym okresie rozwoju PLATO był większy od ARPANET-u i, co istotne, całkowicie od niego niezależny. Na potrzeby PLATO opracowano również pierwszy działający ekran dotykowy, a właściwie siatkę 16 na 16 pól, pozwalającą na udzielanie odpowiedzi poprzez wskazanie jej palcem i działającą za sprawą diod podczerwieni.

W kolejnych latach pojawiły się również pierwsze komercyjne zastosowania nowej technologii. W 1979 roku ekrany dotykowe umieściła w swoich syntezatorach firma Fairlight - wypuściła na rynek sprzęt o nazwie Fairlight CMI (Computer Musical Instrument). O jego roli w powstaniu legendarnej muzyki dobitnie świadczy lista użytkowników: Herbie Hancock, Peter Gabriel, Jean Michel Jarre, Abba czy Kate Bush.

Warto przy tym zauważyć, że pod względem wykorzystania nowej technologii sprzęt muzyczny wyprzedził o wiele lat komputery osobiste – pierwszy konsumencki komputer z dotykowym ekranem, HP-150, pojawił się dopiero w 1983 roku. Podobnie jak w przypadku PLATO sprzęt HP również korzystał z diod światła podczerwonego, umieszczonych w ramce wokół ekranu.

Niedługo później, bo już w 1985 roku, ekrany dotykowe trafiły do samochodów. Pierwsze rozwiązanie tego typu wykorzystano w siódmej generacji Buicka Riviery, w którym zamontowano 9-calowe, dotykowe centrum sterowania.

Kolejnym krokiem milowym było zastosowanie ekranu dotykowego w telefonie – w 1993 roku na rynku pojawił się IBM Simon, a pod koniec XX wieku opracowano technologię ekranu dotykowego działającego dzięki falom dźwiękowym. W ciągu 30 lat powstały zatem niemal wszystkie rozwiązania, jakie znajdują się we współczesnych ekranach dotykowych.

Można z bardzo dużym prawdopodobieństwem stwierdzić, że otaczające nas urządzenia dotykowe oparte są na jednej z czterech technologii. Przez długie lata dominowały ekrany rezystancyjne. Na ich powierzchni znajdują się przezroczyste elektrody, które nie stykają się, oddalone od siebie o dziesiąte części milimetra.

Zewnętrzna, górna warstwa musi być elastyczna, ale zarazem bardzo wytrzymała, bo to jej dotykamy palcem czy stylusem, obsługując jakieś urządzenie. Dotykając ekranu, zwieramy obie warstwy przewodzące, co pozwala precyzyjnie określić, w którym miejscu nastąpiło dotknięcie.

Zaletami tej technologii są niska cena i możliwość dotykania ekranu czymkolwiek, a nie tylko obiektami przewodzącymi prąd, oraz możliwość bardzo dokładnego określenia miejsca dotknięcia ekranu. Do wad należą mniejsza jasność oraz konieczność wywarcia na ekran pewnego nacisku, aby dotknięcie zostało odnotowane.

Wbrew pozorom określa się tak nie jedną, ale dwie technologie. Pierwszą z nich stosuje się w ekranach pojemnościowo-projekcyjnych, używanych np. w licznych smartfonach czy tabletach. Pod warstwą ochronną znajduje się warstwa przewodząca (w tej roli cenny i rzadki ind, a właściwie tlenek cynowo-indowy, znany jako ITO), a dotkniecie palcem ekranu powoduje zmiany pojemności elektrostatycznej okolicznych elektrod, co pozwala na określenie miejsca lub wielu miejsc, w których nastąpiło dotknięcie.

Inną odmianą ekranu pojemnościowego jest ekran powierzchniowo-pojemnościowy, w którym zamiast pokrywającej cały ekran warstwy są tylko cztery elektrody, umieszczone w rogach ekranu. Zaletą takiego rozwiązania jest znacznie niższa cena, wady to mniejsza precyzja i problemy z obsługą wielodotyku.

Wspólną cechą ekranów pojemnościowych jest ich wysoka odporność – nie muszą być elastyczne, więc można przykryć je np. warstwą Gorilla Glass lub innego szkła tego typu. Co istotne, wyższa jest również ich przepuszczalność świetlna. Wady to cena i konieczność obsługi palcem lub specjalnym stylusem (niektórym wystarcza parówka) oraz spadająca precyzja w przypadku dużych ekranów.

Ciekawą alternatywą jest bardzo stara technologia, znana już od czasów PLATO, czyli wykorzystanie podczerwieni. Stosuje się tu różne rozwiązania – dwie diody LED w rogach ekranu, otoczonego elementami światłoczułymi albo np. listwy diodowe. Niezależnie od szczegółów zasada działania polega na odczytaniu miejsca, w którym na drodze promienia światła znalazła się jakaś przeszkoda, czyli np. palec użytkownika.

Niestety, zastosowanie tej technologii wymusza zazwyczaj użycie większej ramki wokół ekranu, a prawidłowy odczyt może zostać zakłócony np. przez bardzo silne światło słoneczne.

Zastosowanie podczerwieni ma jednak liczne zalety. Ponieważ użytkownik nie dotyka żadnych sensorów, jest trwałe i niezawodne. Istotna jest również obsługa wielodotyku i bezproblemowe działanie w przypadku większych ekranów. Co więcej, takie rozwiązanie nie komplikuje budowy samego wyświetlacza i nie ogranicza ilości przepuszczanego światła. Ekran dotykowy oparty na podczerwieni został zastosowany m.in. przez Amazon w czytniku ebooków Kindle Touch.

Ekrany dotykowe SAW (Surface Acoustic Wave) często są określane mianem „ekranów akustycznych”, co niekiedy prowadzi do dość dziwnych interpretacji sposobu ich działania. Zasada jest jednak bardzo prosta: w rogach ekranu umieszcza się piezoelektryczne przetworniki, emitujące ultradźwięki rozchodzące się po powierzchni ekranu.

Gdy go dotkniemy, fala dźwiękowa zostanie zakłócona przez nasz palec, a odczytanie miejsca, w którym nastąpiło zakłócenie, pozwala na określenie punktu dotknięcia ekranu.

Zaletami takiego rozwiązania są, podobnie jak w przypadku ekranów optycznych, wysoka odporność i brak wpływu na jasność wyświetlanego obrazu. Co więcej, dla precyzji działania nie ma znaczenia nawet bardzo silne nasłonecznienie.

Tradycyjne, fizyczne przyciski powoli stają się reliktem i choć pewnie nigdy całkowicie nie znikną (nie wyobrażam sobie pisania dłuższego tekstu na ekranie tabletu!), to dla wielu użytkowników są coraz bardziej zbędne. Wystarczy spojrzeć na ewolucję, jaką w ciągu ostatnich dziesięciu lat przeszły nawet nie telefony, ale choćby amatorskie aparaty fotograficzne (pomińmy fakt, że same odeszły już do lamusa) czy panele sterowania różnymi domowymi urządzeniami.

To, że interfejsy dotykowe są nie tylko teraźniejszością, ale też przyszłością wydaje się oczywiste. Jakie będą? Sądząc po staraniach producentów, prawdopodobnie - po pionierskim okresie z wygiętymi na stałe ekranami, jak w zakrzywionych telewizorach czy niektórych modelach smartfonów - czeka nas epoka elastycznych wyświetlaczy dotykowych.

Niektóre firmy idą jednak o krok dalej, próbując stworzyć ekran dotykowy z dowolnej powierzchni. Choć od pierwszej prezentacji tej technologii podczas konferencji UIST w 2011 roku minęło już trochę czasu, pomysł - choć wydaje się perspektywiczny - wciąż jeszcze jest daleki od powszechnego zastosowania.

Nad rozwiązaniem konkretnego problemu pracuje za to Microsoft, który postanowił zlikwidować istotną wadę większości ekranów dotykowych, czyli stosunkowo duże opóźnienie, ujawniające się np. podczas szkicowania po ekranie. Ostatnie lata przyniosły w tej kwestii znaczy postęp, czego przykładem może być choćby działanie ekranu w hybrydowym laptopie Lenovo Yoga Book.

Prawdziwym przełomem może się jednak okazać coś innego – technologia haptyczna, dzięki której ekran odpowie na nasze działania, a odpowiedź tę poczujemy właśnie dotykiem. Nieśmiałą namiastką takiego rozwiązania jest delikatne wibrowanie smartfona w reakcji na wciśnięcie jakiegoś wyświetlonego na ekranie przycisku, jednak to dopiero początek drogi. Technologię tę rozwija ją m.in. Apple ze swoim haptycznym trackpadem w MacBookach, czy stosowanym w iPhone'ach rozwiązaniem o nazwie 3D Touch.

To jednak tylko półśrodek - przyszłością wydają się bowiem wyświetlacze, które mogą zmieniać swój kształt. Przykładem tego rozwiązania jest m.in. pokazana już kilka lat temu przez firmę Tactus technologia, dzięki której w razie potrzeby na płaskim, dotykowym ekranie "wyrośnie" fizyczna klawiatura.

Technologia ta jest na razie bardzo niedoskonała - pozwala na wysuwanie i chowanie zdefiniowanych odgórnie przycisków. O przełomie będziemy mogli mówić, gdy uda się dopracować ją na tyle, by w dowolnym miejscu ekranu mógł pojawić się przycisk o dowolnych rozmiarach i kształcie, co ostatecznie zlikwiduje granicę pomiędzy fizycznymi przyciskami a interfejsem dotykowym.