Dotkneme se obrazovky a telefon okamžitě reaguje – jak ale vlastně pozná, že jsme se jí dotkli a kde přesně? Za tímto každodenním zázrakem stojí fyzika, biologie a chytrá elektronika, která proměnila sklo v interaktivní rozhraní našeho digitálního světa.
Jak mobilní obrazovka pozná, že se jí dotýkáme a kde se jí dotýkáme? Displej telefonu je podstatnou součástí tohoto přístroje, který vstoupil do našeho života před několika lety. Je tak zásadní, že usnadňuje interakci mezi přístrojem a lidmi díky přímým příkazům a intuitivnějšímu mobilnímu rozhraní. Ať už prstem, nebo stylusem, displej mobilu funguje jako kouzelnický trik.
Za tímto „trikem“ se však skrývá mnohem méně kouzel, než se zdá, a mnohem více vědy: fyziky, elektroniky, pokročilých materiálů a dokonce i trochu lidské biologie. Pochopení toho, proč prst funguje a nehet ne, zahrnuje pohled na to, jak je obrazovka konstruována, jak se chovají elektrické náboje a co je na našem těle tak zvláštního, že telefon „ví“, že jsme u něj.
Prvním mobilním telefonem s dotykovou obrazovkou byl osobní komunikátor IBM Simon, který byl uveden na trh v roce 1994 a prodávala ho společnost BellSouth. V té době měl 1 MB paměti RAM a jeho baterie vydržela pouze jednu hodinu. První odporové (tlakové) dotykové obrazovky byly malé a dotyková interakce, kterou umožňovaly, měla schopnost posílat e-maily nebo volat. Brzy poté se návrhy a rozhraní staly složitějšími a model displeje se zpřesnil.
Dnes se kromě mobilních telefonů dotykové obrazovky nacházejí v bankomatech, automobilech, chytrých hodinkách, konzolích, domácích spotřebičích a dokonce i v některých elektronických knihách. A nefungují všechny stejně: některé reagují na tlak, jiné na teplo, další na elektřinu z našeho těla. Ty v moderních chytrých telefonech patří do poslední kategorie.
Tichý posun od odporových ke kapacitním obrazovkám
Na počátku rezistivní obrazovky skutečně reagovaly na tlak prstů, stylusu nebo dokonce hrotu karty. Skládaly se z několika vrstev, obvykle dvou průhledných plátů potažených vodivým materiálem oddělených malou mezerou. Při stisku se vrstvy vzájemně dotýkaly a systém detekoval místo kontaktu měřením elektrického odporu. Fungovaly tedy téměř na každém předmětu, ale vyžadovaly lisování a byly méně přesné a méně svítivé.
Dnes jsou obrazovky mobilních telefonů většinou kapacitní. Tento typ obrazovek „nesnímá“ tlak, ale spíše přítomnost elektrického vodiče. Místo měření odporu měří změny elektrického pole. Díky tomu jsou citlivější, rychlejší a průhlednější, což zlepšuje odezvu na dotyk i kvalitu obrazu. Existují dvě hlavní skupiny kapacitních displejů:
- Povrchově kapacitní: Jediná vodivá vrstva na skle. Ty byly běžné v prvních dotykových zařízeních.
- Promítané kapacitní (projected capacitive nebo „pro-cap“): Dnes se používají ve většině chytrých telefonů. Mají mřížku elektrod (ve formě čar nebo vzorů), která umožňuje přesné rozpoznání několika dotyků najednou (vícedotykové).
Právě tento přechod na projekční kapacitní technologii umožnil gesta, jako je přiblížení, přejetí více prsty a rychlé psaní na virtuální klávesnici.
Jak obrazovka rozpozná váš prst?
Původně odporové obrazovky skutečně reagovaly na tlak prstu, ale dnešní obrazovky jsou kapacitní: mají elektrické vlastnosti, citlivost a vysokou průhlednost. Jinými slovy, mobilní telefon reaguje na elektrické vodiče. Obrazovka je potažena vodivým materiálem, který vytváří rovnoměrné elektrostatické pole. Když se prst dotkne obrazovky, přeruší pole a způsobí změnu elektrického náboje.
Abychom to pochopili jednoduše, můžeme si obrazovku představit jako neviditelnou síť elektrických „senzorů“. Tato mřížka se skládá z velmi jemných pásů průhledného vodivého materiálu (obvykle oxidu india a cínu, známého jako ITO) uspořádaných v řadách a sloupcích. Každý spoj této mřížky se chová jako malý kondenzátor, součástka schopná uchovávat elektrický náboj.
V klidovém stavu má každý z těchto bodů známou kapacitu (schopnost uchovávat náboj). Když přiložíte prst, který je také vodičem, stanete se součástí obvodu: vaše tělo se chová jako „zem“ nebo hmota, která ukrajuje malé množství náboje. Toto „kradení“ mění kapacitu v konkrétní oblasti, které jste se dotkli.
Tato změna elektrostatického pole je zaznamenána dotykem jiného elektrického vodiče (našich prstů) a zařízení tuto informaci zaznamená jako „událost dotyku“. Jakmile tato událost nastane, senzory obrazovky ji odešlou operačnímu systému, aby telefon na požadavek zareagoval. Kapacitní dotykové obrazovky mají obvykle jasnější a zřetelnější vzhled a jsou mnohem citlivější než odporové dotykové obrazovky. V praxi se proces omezuje na čtyři kroky:
- Řídicí jednotka displeje vysílá elektrické signály do mřížky elektrod a měří kapacitu v každém bodě.
- Když se dotknete prstem nebo se k němu dostatečně přiblížíte, změní se toto měření v určité oblasti.
- Řídicí jednotka interpretuje tuto změnu jako souřadnici (x, y) na obrazovce a může detekovat i více bodů najednou.
- Operační systém tyto souřadnice převádí na akce: otevření aplikace, posouvání, psaní písmen, zvětšení fotografie aj.
To vše se děje v milisekundách, tolikrát za sekundu, že to vypadá jako okamžitá reakce.
Co je na našem prstu tak zvláštního?
Klíčem je, že naše tělo je v podstatě dobrým vodičem elektřiny. Ne tak dobrý jako měděný drát, ale dost dobrý na to, aby kapacitní obrazovka „cítila“ naši přítomnost. To je dáno několika faktory:
- Vysoký obsah vody a soli: Kůže a vnitřní tkáně obsahují vodu s ionty (nabitými částicemi), jako je sodík, draslík nebo chlor. Tyto ionty umožňují průchod elektrického proudu.
- Spojení se „zemí“: I když nestojíme doslova bosí na zemi, naše tělo má určitou schopnost vyměňovat si náboj s okolím, což z něj činí užitečný elektrický referenční bod pro obrazovku.
- Relativně měkký a přizpůsobivý povrch: Špička prstu se při dotyku mírně deformuje, čímž se zvětšuje kontaktní plocha a obrazovka snáze detekuje změnu kapacity.
Proto když se dotkneme špičkou prstu, telefon reaguje pouhým dotykem, aniž by bylo nutné stisknout. A to je také důvod, proč pokud máme extrémně suché prsty nebo je obrazovka velmi mokrá, může být odezva nepravidelná: „obvod“ vytvořený mezi prstem a obrazovkou se změní a systém má větší potíže s interpretací dotyku.
Proč obrazovka nefunguje s nehty nebo jinými předměty?
Obrazovka rozpoznává prsty díky jejich přirozené vodivosti, takže dotyk je lehký a není třeba vyvíjet tlak. Nehty jsou však ztvrdlé mrtvé buňky, které nevedou elektřinu, stejně jako jiné předměty, například rukavice, které nejsou kompatibilní s dotykovými obrazovkami.
Nehet je tvořen převážně keratinem, velmi houževnatou bílkovinou, která se nachází také v srsti nebo rohovině některých zvířat. Tato struktura je tuhá, tvrdá a především izolační: neumožňuje snadný pohyb elektrických nábojů. Když se o obrazovku opřete nehtem, nevytvoří vodivý „můstek“, jako je tomu u konečků prstů, takže kapacita se téměř nemění a obrazovka „neví“, že jste se jí dotkli.
Něco podobného se děje s většinou předmětů denní potřeby: plastovým perem, kartou, klíčem… Pokud materiál není vodivý (nebo není určen k interakci s obrazovkou), elektrické pole se téměř nemění a telefon dotyk nezaregistruje.
A co rukavice? Běžné rukavice z vlny, bavlny nebo kůže fungují jako izolační bariéra mezi vaší pokožkou a obrazovkou. I když je váš prst vodivý, vrstva látky brání elektrickému poli obrazovky, aby „zaznamenalo“ vaši přítomnost. To je důvod, proč se v zimě při použití běžných rukavic zdá, že je telefon „imunní“ vůči vašim pokusům o jeho použití.
Dotykové rukavice, stylus a další triky, jak oklamat obrazovku
Mezi předměty, které lze použít s kapacitním dotykovým displejem, patří například vodivý stylus, druh birosu, který má gumový nebo síťovaný hrot a funguje jako prodloužení prstu. Pera jsou specializované nástroje, které obsahují elektrické komponenty umožňující dotykové obrazovce přesněji detekovat změnu elektrostatického pole.
V případě dotykových rukavic spočívá trik v zabudování vodivých materiálů do špiček prstů: drátů s kovovými vlákny (např. stříbrnými nebo měděnými) nebo speciálními povlaky. Tyto materiály umožňují, aby se část náboje z vašeho těla přenesla přes tkaninu na obrazovku, a tím se uzavře obvod, který obrazovka potřebuje k detekci dotyku.
Podobně je tomu u jednoduchých kapacitních stylusů: hrot je obvykle vyroben z vodivé gumy nebo velmi jemné kovové síťky. Když stylus držíte v ruce, vaše tělo elektricky „napájí“ tento hrot, který se stává prodloužením vašeho prstu. Obrazovka nerozlišuje, zda dotyk pochází z vaší kůže nebo z vodivé gumy: vidí pouze změnu elektrického pole.
Pak jsou tu pokročilé stylusy, jako je Apple Pencil nebo S Pen od Samsungu. Ty nejsou jen vodivé: obsahují vlastní elektroniku, snímače tlaku, náklonu, a dokonce i bezdrátovou komunikaci s obrazovkou. V mnoha případech obrazovka obsahuje další vrstvu (Wacom EMR nebo jiné technologie), která detekuje stylus pomocí elektromagnetického pole, což umožňuje kreslit mnohem přesněji než prstem.
A ano, existují i podomácku vyrobené triky: od tužek zabalených do hliníkové fólie až po kovové lžíce. Fungují proto, že kov je vodivý, a pokud jej držíte v ruce, stane se mostem mezi vaším tělem a obrazovkou. Pro sklo to není nejlepší, ale dobře to ilustruje, jak důležitá je v celém procesu vodivost.
Co když obrazovka reaguje, aniž byste se jí vůbec dotkli?
Některé telefony a tablety jsou schopny detekovat váš prst ještě předtím, než se fyzicky dotkne skla, což umožňuje funkce, jako je „najetí“ na položku nebo náhled obsahu. U promítaných kapacitních displejů totiž není vždy nutný přímý kontakt: stačí přiblížit prst dostatečně blízko, aby se změnilo elektrické pole.
V těchto případech pracuje ovladač displeje s velmi jemnými prahy citlivosti a je schopen rozlišit mezi elektrickým „šumem“ v prostředí a skutečnou přítomností blízkého prstu. Jedná se o extrémnější verzi téhož principu: detekce změn kapacity, jakkoli malých.
Zajímavá omezení: Voda, vlhkost a ochranné kryty obrazovky
Pokud jste někdy zkoušeli používat telefon v dešti nebo s mokrýma rukama, jistě jste si všimli, že se obrazovka stává nepředvídatelnou. Důvodem je, že voda také vede elektřinu, zejména pokud obsahuje soli a minerály, jako například pot nebo mořská voda. Kapky na skle vytvářejí alternativní cesty pro elektrické náboje a obrazovka „vidí“ dotyky tam, kde nejsou.
Něco podobného se může stát u některých velmi silných nebo nekvalitních ochranných krytů obrazovky. Ačkoli je tvrzené sklo samo o sobě nevodivé, jeho tloušťka a složení mohou mírně změnit elektrické pole a způsobit, že obrazovka bude vyžadovat pevnější dotyk nebo ztratí část citlivosti. Proto výrobci chráničů obrazovky často uvádějí, zda jsou „kompatibilní s kapacitními obrazovkami“, a upravují jejich tloušťku tak, aby příliš nezasahovaly.
Na druhém pólu jsou technologie, které se snaží tato omezení kompenzovat. Některé telefony obsahují speciální režimy pro použití v rukavicích, kdy je citlivost obrazovky zvýšena, aby lépe detekovala lehké dotyky nebo dotyky přes tenké materiály. Toho je dosaženo úpravou způsobu, jakým ovladač měří kapacitu, a jiným způsobem filtruje elektrický šum.
Mimo mobilní telefony: Další dotykové technologie
Přestože kapacitní displeje dominují světu chytrých telefonů, nejsou jediným způsobem detekce dotyku. V jiných zařízeních se používají jiné technologie:
- Infračervené záření: Soustava vysílačů a přijímačů infračerveného světla kolem obrazovky vytváří „síť“ neviditelných paprsků. Když ji prst přeruší, systém zjistí jeho polohu. Používá se v některých bankomatech, průmyslových panelech nebo digitálních tabulích.
- Povrchová akustická vlna: Ultrazvukové vlny se šíří podél povrchu skla. Při dotyku se vzor těchto vln změní a zjistí se místo dotyku.
- Optické: Optické kamery nebo senzory detekují stíny nebo odrazy vytvořené prstem.
Tyto technologie mají své výhody (mohou fungovat například v tlustých rukavicích) i nevýhody (jsou objemnější nebo citlivější na nečistoty), ale všechny mají stejný cíl: převést fyzické gesto na signál, kterému počítač rozumí.
Každodenní gesto, za kterým stojí spousta vědy
Dotykové obrazovky jsou součástí našich životů, ale málokdy se zastavíme a zamyslíme se nad vědeckými poznatky, které se skrývají za takovým gestem, jako je přejetí prstem. Díky letům výzkumu, investicím do pokroku a odborníkům z oboru jsou naše telefony schopny interpretovat gesta, stisky kláves a pohyby s úžasnou přesností. Až budete příště odemykat telefon, vzpomeňte si, že za tímto každodenním gestem stojí fyzika, elektronika a roky vědeckého vývoje.
Naše prsty fungují a naše nehty ne, protože obrazovka mobilu nerozumí tvarům a barvám, ale elektřině: potřebuje materiál, který se může účastnit její malé hry s náboji a elektrickými poli. Špička prstu, bohatá na vodu a soli, tuto roli plní dokonale. Nehet, který je tuhý a izoluje, to nedokáže.
A i když se to všechno může zdát velmi technické, výsledek je tak přirozený, že na to téměř zapomínáme: dotkneme se skleněného povrchu a digitální svět okamžitě reaguje, jako by byl prodloužením naší vlastní ruky.