فیزیک بازخورد لمسی دسته‌های بازی: تقابل موتورهای جرم چرخان غیرعادی و محرک‌های تشدید خطی

لحظه‌ای که تعیین می‌کند یک ضربه مجازی حس شلیک دقیق گلوله را می‌دهد یا لرزش مبهم یک زلزله، در میلی‌ثانیه‌ای رخ می‌دهد که سیگنال الکتریکی درون شاسی دسته بازی به جابجایی مکانیکی تبدیل می‌شود. این مرحله تبدیل، گلوگاه مطلق وضوح لمسی است. اگر ولتاژ ورودی یک وزنه چرخان را به حرکت درآورد، نیروی حاصل یک لرزش گنگ و طولانی است که داده‌های لمسی را روی چندین فریم پخش می‌کند. اما اگر همان ولتاژ یک سیم‌پیچ مغناطیسی را به صورت خطی در برابر یک فنر به حرکت درآورد، نیرو یک ضربه تیز و آنی خواهد بود. این ترجمه مکانیکی ساده است که توضیح می‌دهد چرا یک دسته بازی مدرن می‌تواند بافت متمایز شن زیر لاستیک‌های مجازی را شبیه‌سازی کند، در حالی که سخت‌افزارهای قدیمی فقط می‌توانستند وزوز کنند.[6]

برای دهه‌ها، صنعت بازی کاملاً به موتور جرم چرخان غیرعادی (ERM) برای ایجاد این جابجایی متکی بود. یک ERM اساساً یک موتور جریان مستقیم ساده است که یک وزنه نامتقارن و خارج از مرکز به شفت چرخان آن متصل شده است. هنگامی که مادربرد دسته بازی ولتاژ اعمال می‌کند، موتور جرم را می‌چرخاند و نیروی گریز از مرکز نامتوازنی تولید می‌کند که کل بدنه پلاستیکی را می‌لرزاند. این یک رویکرد خشن و پرقدرت برای بازخورد لمسی بود که طراحی شده بود تا هنگام تصادف خودرو یا انفجار، لرزشی سنگین و رضایت‌بخش ایجاد کند.[2][4]

نقص مهلک ERM در اینرسی چرخشی آن نهفته است. از آنجایی که موتور باید یک جرم مرده را به صورت فیزیکی شتاب دهد، زمان قابل توجهی طول می‌کشد تا به حداکثر دامنه خود برسد. کالبدشکافی‌های سخت‌افزاری و تست‌های تأخیر نشان می‌دهند که یک ERM استاندارد معمولاً به ۵۰ تا ۸۰ میلی‌ثانیه زمان نیاز دارد تا به سرعت کامل برسد و مدت زمان مشابهی نیز برای توقف کامل لازم است. در بافت یک بازی تیراندازی رقابتی که با ۶۰ فریم در ثانیه اجرا می‌شود، تأخیر ۸۰ میلی‌ثانیه‌ای به این معنی است که حس فیزیکی شلیک سلاح تقریباً پنج فریم پس از فلاش بصری دهانه اسلحه به دست بازیکن می‌رسد.[2]

این تأخیر مکانیکی یک اثر پخش‌شدگی ایجاد می‌کند، جایی که رویدادهای سریع و متوالی درون بازی در یک صدای وزوز پیوسته و واحد ادغام می‌شوند. علاوه بر این، فیزیک ERM فرکانس و دامنه را به طور ناگسستنی به هم پیوند می‌دهد. تنها راه برای قوی‌تر کردن لرزش، چرخاندن سریع‌تر موتور است که ذاتاً زیر و بمی لرزش را افزایش می‌دهد. یک توسعه‌دهنده نمی‌تواند یک ضربه سنگین و آهسته یا یک ضربه سبک و سریع را برنامه‌ریزی کند؛ آنها در یک مقیاس خطی قفل شده‌اند که در آن قوی‌تر همیشه به معنای سریع‌تر است.[2]

راه‌حل این گلوگاه چرخشی، محرک تشدید خطی (LRA) است؛ فناوری‌ای که بازخورد لمسی دقیق را در دستگاه‌های پیشرفته‌ای مانند دوال‌سنس (DualSense) پلی‌استیشن ۵ و دسته‌های واقعیت مجازی مدرن تأمین می‌کند. به جای چرخاندن یک وزنه در یک دایره، LRA از جریان متناوب برای به حرکت درآوردن یک سیم‌پیچ صوتی استفاده می‌کند. این میدان الکترومغناطیسی یک جرم مغناطیسی را در امتداد یک محور خطی واحد و در برابر یک فنر موجی به جلو و عقب هل می‌دهد، عملکردی بسیار شبیه به مخروط یک بلندگوی صوتی.[2][5]

از آنجا که جرم به جای چرخشی، به صورت خطی حرکت می‌کند، LRA به طور کامل اینرسی راه‌اندازی را که موتورهای ERM را آزار می‌دهد، دور می‌زند. یک LRA می‌تواند حرکت خود را در عرض ۱۰ تا ۲۰ میلی‌ثانیه شروع و متوقف کند. این زمان پاسخ سریع به دسته بازی اجازه می‌دهد تا رویدادهای لمسی مجزا و با وضوح بالا – مانند کلیک‌های جداگانه یک مکانیسم بارگذاری مجدد یا ضربه‌های متمایز و سریع یک نوار لرزشی – را کاملاً با فریم‌های بصری روی صفحه هماهنگ کند.[3][4]

طراحی خطی اساساً در تبدیل الکتریسیته به نیرو کارآمدتر است. شرکت تگزاس اینسترومنتس (Texas Instruments)، تولیدکننده پیشرو محرک‌های لمسی، اشاره می‌کند که برای دستیابی به حداکثر شتاب ۰.۹g، یک ERM سنتی ۱۲۴ میلی‌آمپر جریان مصرف می‌کند. در حالی که یک LRA برای دستیابی به همان شتاب ۰.۹g تنها ۵۱.۳ میلی‌آمپر جریان می‌کشد. با کار کردن در فرکانس تشدید طبیعی فنر، LRA خروجی نیروی مکانیکی خود را به حداکثر می‌رساند و در عین حال سربار الکتریکی مورد نیاز از باتری دسته بازی را به حداقل می‌رساند.[1]

هزینه این دقت، افزایش عظیم در پیچیدگی راه‌اندازی است. در حالی که یک ERM می‌تواند با یک ولتاژ جریان مستقیم ساده فعال شود، یک LRA به یک مدار مجتمع (IC) راه‌انداز اختصاصی نیاز دارد تا شکل موج جریان متناوب را تولید کرده و فرکانس تشدید محرک را به طور فعال ردیابی کند. اگر فرکانس راه‌اندازی حتی کمی از نقطه تشدید مکانیکی به دلیل تغییرات دما یا سفتی نصب منحرف شود، محرک بخش قابل توجهی از شتاب خود را از دست می‌دهد.[2]

برای حفظ اوج عملکرد، محرک‌های لمسی مدرن از بازخورد حلقه بسته استفاده می‌کنند. این سیستم نیروی الکتروموتور معکوس تولید شده توسط جرم متحرک را اندازه‌گیری می‌کند تا سیگنال راه‌اندازی را به طور مداوم خودکار کالیبره کند. این کار تضمین می‌کند که LRA روی فرکانس تشدید خود قفل بماند و بازخورد ثابت و تیزی را ارائه دهد، صرف نظر از اینکه بازیکن چقدر محکم دسته بازی را در دست گرفته است.[1]

این تغییر از تحریک چرخشی به تحریک خطی، نشان‌دهنده یک ارتقاء اساسی در نحوه ارتباط بازی‌ها با بازیکنان است. طراحان سخت‌افزار با تسلط بر فیزیک تشدید و الکترومغناطیس، دسته بازی را از یک دستگاه ورودی ساده به یک کانال خروجی با وضوح بالا تبدیل کرده‌اند. دوران لرزش‌های مبهم در حال پایان است و جای خود را به یک زبان لمسی داده که به بازیکنان اجازه می‌دهد دنیای دیجیتال را با وضوحی بی‌سابقه و دقیقاً هماهنگ با فریم‌ها احساس کنند.[6]