Черты гаджетов будущего

Вполне очевидно, что внешний вид и функциональные возможности большинства портативных электронных устройств во многом определяются тем арсеналом технологий, компонентов и материалов, которыми располагают разработчики. Поэтому предположить, как будут эволюционировать портативные электронные устройства в ближайшем будущем, не так уж и сложно…

Богатую пищу для размышлений дают многочисленные сообщения о перспективных технологиях, в развитие которых инвестируют средства крупнейшие игроки рынка портативной электроники. Остается лишь призвать на помощь свою фантазию и скомбинировать наиболее подходящие компоненты в единое целое…

Кстати, идею создания универсального трансформируемого гаджета недавно реализовала группа итальянских дизайнеров Design+Wave. Набор функций созданного ими прототипа пользователь сможет изменять по своему усмотрению хоть каждый день. Подобная гибкость обеспечивается за счет модульной структуры конструкции.

К головному блоку мобильного телефона, на котором размещен дисплей и кнопки управления, можно пристыковывать дополнительные функциональные модули: медиаплеер, USB-накопитель, GPS-навигатор, цифровую камеру и пр. Модули соединяются с головным блоком и друг с другом при помощи разъемов-шарниров — в результате получается нечто вроде массивного браслета, набранного из прямоугольных звеньев, который крепится на руке при помощи гибкого ремешка.

Прототип универсального гаджета, созданный
группой дизайнеров Design+Wave. Модульная
конструкция позволяет пользователю изменять
набор функций хоть каждый день

Мы тоже предлагаем читателям пофантазировать на тему «Гаджеты будущего». А в качестве исходного материала представляем информацию о перспективных разработках, которые (как мы надеемся) позволят сделать портативные электронные устройства более удобными, надежными и функциональными.

Устройства ввода

По мере миниатюризации коммуникаторов и смартфонов все более острой становится проблема реализации удобной в использовании, но в то же время компактной системы ввода текста. Конечно, для набора SMS вполне сгодится цифровая клавиатура в сочетании с системой предикативного ввода текста.

Однако для устройств, позволяющих загружать приложения и работать с ресурсами Интернета, наличие полноценной аппаратной клавиатуры (или иного устройства ввода с аналогичной функциональностью) становится все более насущным. Что же нам могут предложить разработчики?

В современных моделях КПК и коммуникаторов сейчас получили распространение два решения: аппаратная клавиатура и ее виртуальный экранный аналог. Конечно, микроскопические кнопки таких клавиатур даже теоретически не позволяют использовать технику «слепого» набора, поэтому с точки зрения удобства и скорости печати разница между этими решениями невелика.

Прототип телефона Nokia, оснащенный
сенсорной клавиатурой

При наличии сенсорного экрана можно использовать технику граффити (посимвольного рукописного ввода), некогда широко применявшуюся в КПК компании Palm. И хотя в настоящее время подобный способ ввода сдает свои позиции, его еще рано окончательно списывать со счетов.

Не так давно китайский инженер Сан-Хоонь Ли (Sang-Hoon Lee) предложил новый вариант ввода символов граффити, который можно будет реализовать даже в недорогих устройствах. Вместо сенсорного экрана Ли предлагает использовать специальную выдвижную панель с массивом миниатюрных кнопок, на которой можно пальцами чертить символы граффити.

Как утверждает разработчик, реализация такого варианта обойдется дешевле сенсорного экрана (поскольку представляет собой чисто механическое устройство), а для работы не потребуется стилус. Да и поверхность экрана будет в сохранности.

Выдвигающаяся панель для ввода символов
граффити пальцем — доступное и удобное
решение для недорогих устройств

Еще один вариант — виртуальная клавиатура, проецируемая на любую подходящую поверхность. Работает она следующим образом. При помощи полупроводникового лазера и системы развертки на горизонтальную поверхность проецируется изображение клавиатуры.

Для того чтобы ввести какой-либо символ или команду, пользователю необходимо поставить палец на ячейку соответствующей виртуальной клавиши. «Нажатия» отслеживает система, снабженная оптическими датчиками с инфракрасными светодиодами и фотоприемниками.

Если невидимый луч отражается от пальца, касающегося поверхности в зоне той или иной «клавиши», то датчик фиксирует ее «нажатие» и передает соответствующий сигнал контроллеру.

Виртуальную клавиатуру можно встраивать в весьма компактные
устройства, однако для работы с ней требуется более или менее ровная поверхность

Идея создания подобной виртуальной клавиатуры впервые возникла у разработчиков израильской компании Developer VKB примерно десять лет тому назад. В 2002 году работающий прототип этого устройства был представлен компанией Siemens Procurement Logistics Services на выставке CeBit.

А спустя еще три года (в 2005-м) в продаже появилось серийно выпускаемое устройство — клавиатура iTECH Bluetooth Virtual Keyboard. Она выполнена в виде отдельного модуля, который подключается к мобильным телефонам, КПК, ноутбукам и настольным компьютерам по беспроводному интерфейсу Bluetooth.

Впрочем, пока подобные устройства не получили широкого распространения. И хотя теоретически виртуальную клавиатуру можно встраивать даже в очень компактные устройства, у этого решения есть и ряд очевидных недостатков.

Во-первых, как показала практика, далеко не все пользователи могут нормально набирать текст, не чувствуя под пальцами физических клавиш. Во-вторых, для работы с виртуальной клавиатурой требуется наличие более или менее ровной горизонтальной поверхности и возможность установить поблизости в определенном положении используемое устройство. К сожалению, в мобильных условиях эти требования далеко не всегда выполнимы.

Еще одна перспективная технология базируется на распознавании жестов по траектории движения. Аппаратная часть системы представляет собой несколько установленных в корпусе устройства акселерометров — датчиков, фиксирующих направление и величину ускорения.

Путем обработки показаний, поступающих от акселерометров, можно с довольно высокой точностью воссоздать траекторию движения. Таким образом, можно ввести символ или команду, просто взяв в руку устройство и прочертив им в воздухе соответствующий знак. Конечно, скорость ввода при использовании такого способа будет невысокой, поэтому имеет смысл рассматривать его не как альтернативу, а как дополнение к аппаратной клавиатуре и сенсорному экрану.

В мобильном телефоне Samsung SCH-S310
имеется встроенная система распознавания жестов
по траектории движения

Пару лет тому назад компания Samsung Electronics выпустила мобильный телефон SCH-S310, оснащенный системой распознавания жестов по траектории движения. Эта функция позволяет осуществлять ввод цифр, а также нескольких часто используемых управляющих команд. Например, для того чтобы ввести какую-либо цифру, достаточно начертить ее в пространстве рукой, в которой находится телефон.

Дисплеи

Доля устройств, оснащенных дисплеями с сенсорным экраном, постепенно увеличивается. Однако если посмотреть на сегменты портативных медиаплееров, мобильных телефонов или тех же цифровых фотоаппаратов, то сенсорные экраны есть лишь у считаных моделей.

Объясняется это сложностью изготовления (ведь в данном случае необходимо устанавливать два отдельных узла: собственно дисплей и сенсорную панель, каждый из которых имеет свой контроллер, цепи питания и пр.). Впрочем, в будущем ситуация может измениться, и не исключено, что уже в ближайшие годы сенсорные дисплеи получат более широкое распространение. 

Повод для оптимизма дала компания Samsung Electronics, продемонстрировав в минувшем году на выставке SID 2006 ЖК-панель hTSP (Hybrid Touch Screen Panel) с интегрированной сенсорной панелью.

Размер экрана составляет 3,5 дюйма, разрешение — 320x240 пикселов. Выпуск подобных гибридных дисплеев позволит упростить процесс сборки, уменьшить количество узлов, а значит, можно надеяться на то, что и сами устройства станут дешевле.

Цветная 3,5-дюймовая ЖК-панель hTSP,
оснащенная интегрированной
сенсорной панелью

Конечно, сами по себе ЖК-дисплеи являются далеко не идеальным вариантом c точки зрения использования в малогабаритных мобильных устройствах. Невысокая разрешающая способность, неважная цветопередача, ограниченный угол обзора и потребляющая довольно много электроэнергии подсветка — вот далеко не полный перечень недостатков ЖК-дисплеев, устанавливаемых в современных моделях портативных цифровых медиаплееров, мобильных телефонов и тому подобных устройств. К тому же многие читатели на собственном опыте знают, что при отрицательной температуре изображение на ЖК-дисплее обновляется очень медленно.

Вполне возможно, что в перспективе ЖК-панели в компактных устройствах постепенно уступят место OLED-дисплеям. По сравнению с ЖК-панелями дисплеи на базе OLED обладают значительно более высокой световой эффективностью (то есть потребляют значительно меньше электроэнергии при той же яркости изображения), обеспечивают очень малое (порядка десятков микросекунд) время отклика пикселов и широкий угол обзора (до 180°) без искажения цветов, а также занимают меньше места (за счет отсутствия модуля подсветки).

Рассматривая перспективы развития дисплеев в мобильных устройствах, нельзя не затронуть еще одну важную проблему, которая приобретает глобальный характер. Современные тенденции таковы, что размеры мобильных устройств постепенно уменьшаются, в то время как для расширения функциональных возможностей требуется использовать экран довольно большого размера.

В результате возникает противоречие: с одной стороны, устройство необходимо сделать как можно меньше, а его экран при этом должен быть как можно больше. Впрочем, разработчики дисплеев уже предложили решения, которые позволят разрешить эту коллизию и реализовать возможность работы с изображением, размеры которого будут превосходить габариты устройства.

Используя скручивающийся в рулон гибкий дисплей, можно создавать весьма компактные устройства с экраном большого размера

Один из вариантов — переход к применению гибких дисплеев, способных скручиваться в компактный рулон. В сложенном состоянии такая конструкция обеспечит малые габариты устройства, а при необходимости использовать всю площадь экрана его можно быстро привести в рабочее положение.

Правда, возможность создания ЖК-панелей, обладающих такой гибкостью, пока находится под большим вопросом. А вот что касается более новых технологий, таких как OLED и электронные чернила (e-ink), то прототипы дисплейных панелей на базе этих решений, способные сохранять работоспособность при скручивании в рулон, уже неоднократно демонстрировались на международных выставках.

Гибкий дисплей, созданный на базе технологии
электронных чернил

Другой вариант заключается в оснащении портативных устройств миниатюрными встроенными проекторами. Над созданием подобных модулей, называемых пико-проекторами (pico-projectors), в настоящее время активно работают инженеры компании Texas Instruments (TI). На конференции CTIA Wireless представители TI впервые в мире продемонстрировали работающий прототип ультракомпактного проектора, созданного на базе технологии DLP.

На конференции SID (Society for Information Display) компания Texas Instruments официально представила прототип пико-проектора второго поколения, также созданный по технологии DLP. Модуль, длина которого составляет 40 мм, а толщина — всего 10 мм, позволяет проецировать цветное изображение размером примерно с лист формата А4.

Согласно представленной информации, в пико-проекторе TI второго поколения установлены три полупроводниковых лазера и одна DMD-матрица, а его разрешающая способность составляет 640x240 пикселов. В отличие от полноразмерных DLP-проекторов, у пико-проектора нет движущихся частей. Размеры модуля позволяют встраивать его в портативные электронные устройства — мобильные телефоны, цифровые фотоаппараты и медиаплееры.

Миниатюрный встроенный проектор —
вполне конкурентоспособная альтернатива традиционным
дисплеям в малогабаритных устройствах

Представители Texas Instruments уже объявили о достижении предварительных договоренностей с тремя крупными производителями (Foxconn, Sypro Optics и Young Optics), которые планируют разрабатывать и выпускать устройства, оснащенные встроенными пико-проекторами.

 

Прототип встраиваемого модуля пико-проектора,
созданный инженерами компании Texas Instruments,
умещается на одном пальце

Собственную версию миниатюрного проктора разрабатывает компания Microvision. В дни проведения SID 2007 участники и гости конференции могли собственными глазами увидеть на стенде компании работающий прототип миниатюрного лазерного модуля PicoP, который позволяет проецировать цветное изображение с разрешением 854x480 пикселов.

В конце июля было официально объявлено о подписании соглашения между компаниями Microvision и Motorola, предусматривающего совместные работы в области разработки и внедрения миниатюрных проекционных систем на базе лазерного модуля PicoP.

Как считают аналитики компании Pacific Media Associates, уже в 2010 году объем выпуска портативных устройств, оснащенных встроенными проекторами, может достичь отметки в миллион штук.

 

Печатающие устройства

Встроенный принтер в портативных устройствах пока встречается нечасто. Исключение составляют разве что мобильные кассовые терминалы, используемые в некоторых предприятиях сферы обслуживания. Но в будущем встроенные печатающие устройства могут стать если не широко распространенным, то, по крайней мере, вполне привычным явлением.

Наиболее простым (с точки зрения реализации в малогабаритных портативных устройствах) решением являются термопринтеры, печатающие на специальной бумаге, которая темнеет при нагреве до определенной температуры.

Кстати, несколько лет тому назад компании Citizen и Brother выпускали малогабаритные портативные термопринтеры, предназначенные для использования с мобильными устройствами. Термопринтеры подобной конструкции недороги, неприхотливы к условиям эксплуатации и обладают высокой надежностью.

Основные недостатки подобных устройств — возможность печати только монохромных изображений и относительно низкая разрешающая способность (порядка 200 dpi). По этой причине сфера их применения ограничивается выводом текста, числовых данных и несложной графики (например, диаграмм, блок-схем и т.п.).

Цифровой фотоаппарат со встроенным цветным принтером?
Представители компании Zink Imaging утверждают,
что купить такое устройство можно будет уже
в следующем году

Впрочем, технологии печати продолжают развиваться, и не исключено, что уже в ближайшее время появятся вполне конкурентоспособные решения, позволяющие реализовать встроенное печатающее устройство, способное выводить цветные изображения с фотографическим качеством.

В конце лета 2010 года компания Zink Imaging объявила о создании оригинальной технологии печати ZINK (Zero INK — дословно «без чернил»). Данная технология базируется на использовании специальной фотобумаги, под защитным покрытием которой находятся три слоя особого полимера.

Изначально бесцветный полимер при нагреве окрашивается в определенный цвет — какой именно, зависит от температуры. Таким образом, конструкция принтера, созданного по технологии ZINK, отличается максимальной простотой: в нем установлена термическая головка, схожая с применяемыми в сублимационных принтерах.

Как отмечают разработчики, в отличие от струйных и сублимационных принтеров, устройства, основанные на технологии ZINK, не нуждаются в использовании чернил или твердого красителя: единственный расходный материал — это специальная бумага.

Термопринтеры, печатающие на специальной
бумаге, можно без проблем встраивать даже
в довольно компактные устройства.
На фото — принтер Brother m-PRINT

На официальном веб-сайте Zink Imaging уже появился анонс компактного устройства с длинным названием Zink Integrated Digital Camera and Printer. Это цифровая фотокамера, совмещенная с компактным фотопринтером (разумеется, построенным на базе технологии ZINK), который позволяет изготавливать цветные фотографии размером 2x3 дюйма (5x7,6 см) без полей. Появление Zink Integrated Digital Camera and Printer в продаже ожидается уже в конце 2010 года.

Источники питания

Чем больше функций появляется в портативных электронных устройствах, тем острее встает «энергетическая проблема». Цветные дисплеи с большим размером экрана, мощные процессоры, встроенные камеры — наличие каждого из этих элементов неизбежно приводит к увеличению количества потребляемой энергии.

Как это ни печально, темпы развития технологий в области аккумуляторных батарей не позволяют наращивать удельную энергоемкость элементов питания с той же скоростью, с какой растут «аппетиты» многофункциональных гаджетов. Вследствие этого стремление к уменьшению размеров и наращиванию функциональных возможностей портативных устройств неизбежно приводит к сокращению продолжительности автономной работы.

В настоящее время разработчики уже практически вплотную подошли к физическому пределу, ограничивающему максимальную величину удельной емкости литиевых аккумуляторов — наиболее распространенного типа источников питания современных гаджетов. Назревает необходимость в переходе к новым, более эффективным решениям. Однако замену литий-ионным, литий-полимерным и прочим видам аккумуляторов, содержащих огнеопасный металл, найти не так-то просто.

Впрочем, если нет возможности увеличить энергоемкость аккумулятора, то, по крайней мере, можно увеличить время автономной работы устройств, реализовав функцию подзарядки «на ходу» от общедоступных источников энергии — например от солнца.

Несмотря на то что многие эксперты весьма скептически отзываются о целесообразности использования солнечных батарей в портативных электронных устройствах, в ряде компаний подобные проекты уже доведены до стадии работающих прототипов и даже готовых к серийному производству продуктов.

Такую солнечную батарею можно прикрепить
к задней панели мобильного телефона
и использовать для подзарядки штатного аккумулятора

Конечно, использовать для зарядки исключительно энергию солнечного света пока не получится — все-таки эффективность существующих малогабаритных солнечных батарей пока не позволяет вырабатывать достаточное для этого количество энергии.

Тем не менее рациональное зерно в подобных конструкциях, несомненно, имеется: зарядив аппарат от электросети, пользователь может по мере необходимости возобновлять запасы энергии, устраивая «солнечные ванны» своему мобильному телефону. А это уже вполне реальная возможность увеличить время автономной работы аппарата и снизить зависимость от внешних источников электроэнергии.

В конце 2009 года японская компания DoCoMo продемонстрировала прототип мобильного телефона, оснащенного выдвигающейся панелью солнечной батареи, которая прикреплена к корпусу аппарата на шарнире.

А в 2010 году компания HiTech Wealth выпустила серийную модель мобильного телефона S116, оснащенного встроенной солнечной батареей. Аппарат выполнен в раскладывающемся корпусе, на одной из наружных сторон которого размещена панель солнечной батареи. Как утверждают разработчики, в течение одного часа зарядки под ярким солнечным светом аккумулятор телефона способен запасти количество энергии, которого хватит на 40 мин непрерывной работы в режиме разговора.

Некоторые разработчики считают, что можно встроить панель солнечной батареи… непосредственно в экран дисплея. Например, коллективу инженеров, работающих в исследовательском центре компании Motorola, удалось создать прототип ЖК-панели со встроенной солнечной батареей.

HiTech Wealth S116 — одна из первых серийно
выпускаемых моделей мобильного телефона,
оснащенного встроенной в корпус
солнечной батареей

Впрочем, встроенные в мобильное устройство солнечные батареи — это далеко не самый экзотический способ получения дополнительной энергии без подключения к внешним источникам питания. Некоторые разработчики предлагают использовать для выработки электроэнергии разницу температур между телом человека и окружающей среды.

Работающие прототипы термоэлектрических генераторов на базе полупроводниковых компонентов существуют уже довольно давно, однако, как и в случае солнечных батарей, основной проблемой, препятствующей их использованию в массовых продуктах, является малая мощность.

Например, при разнице температур, составляющей несколько градусов (по шкале Цельсия), термоэлектрический элемент способен генерировать напряжение всего порядка 200 мВ, тогда как для питания большинства современных портативных электронных устройств требуются элементы с выходным напряжением от 3 до 9 В. Создание более мощных термоэлектрических генераторов технически возможно, однако для их работы требуется разница температур в несколько десятков градусов.

Не исключено, что уже в обозримом будущем на смену аккумуляторным батареям придут более мощные и удобные источники питания. Многие аналитики считают, что это будут миниатюрные топливные элементы — специализированные химические реакторы, предназначенные для прямого преобразования энергии, высвобождающейся в ходе реакции окисления топлива, в электрический ток.

В отличие от аккумуляторов, заряд которых возобновляется при подключении к внешнему источнику тока, восстановление работоспособности топливных элементов осуществляется путем пополнения запаса топлива (раствора метилового спирта). В качестве окислителя, как правило, используется содержащийся в воздухе кислород.

Топливные элементы вполне могут заменить
привычные аккумуляторы в портативных
устройствах. Вопрос только в том,
когда это произойдет…

Основными достоинствами топливных элементов, по сравнению с аккумуляторами, являются потенциально более высокая мощность при тех же физических габаритах и отсутствие необходимости тратить время на подзарядку (замена картриджа с топливом займет максимум несколько минут).

Правда, есть и некоторые проблемы. Во-первых, использование жидкого топлива выдвигает особые требования к герметичности и прочности заправочных контейнеров (картриджей) — все-таки метиловый спирт является легковоспламеняющимся и ядовитым веществом. Во-вторых, даже при применении катализаторов для поддержания химической реакции необходима температура порядка 200-300 °С, то есть возникает необходимость в эффективной системе охлаждения работающего топливного элемента.