Au cours de la dernière décennie, les écrans tactiles sont devenus un standard des interfaces homme-machine. Cependant, malgré leurs nombreux atouts, ils manquent encore de sensations tactiles : quelque soit le contenu visuel, ils restent plats, lisses, rigides et immobiles sous le doigt. Dans cet ouvrage, nous examinons les moyens permettant aux écrans tactiles de nous toucher en retour, et de produire des sensations tactiles variées associées à des images. Premièrement, nous proposons un nouveau format de données haptiques qui fournit une description haptique générique d'un objet virtuel indépendamment de la technologie de rendu. Ce format est destiné à s’intégrer aisément dans les processus de création de contenu audiovisuel, et à être facilement manipulé par des non-spécialistes dans des contextes multidisciplinaires. Ensuite, nous abordons le challenge de produire des sensations haptiques variées avec une complexité technique limitée, grâce à notre nouvelle approche appelée "KinesTouch". Nous proposons en particulier un nouvel effet de frottement basé sur des déplacements latéraux augmentant ou diminuant la vitesse de glissement entre le doigt et l'écran. Enfin, nous présentons "Touchy", une méthode appliquant les principes pseudo-haptiques aux interactions sur écran tactile. Nous proposons un ensemble d'effets pseudo-haptiques traduisant visuellement des propriétés telles que de la rugosité, de la rigidité ou du frottement par les vibrations, les déformations et la trajectoire d'un curseur circulaire affiché sous le doigt de l'utilisateur. Nous appliquons également ces effets à des scènes 3D et traitons des différences entre les méthodes de rendu de contenu 2D ou 3D. / Touchscreens have largely spread out over the last decade and have become one of the most ordinary human-machine interface. However, despite their many assets, touchscreens still lack of tactile sensations: they always feel flat, smooth, rigid and static under the finger, no matter the visual content. In this work, we investigate how to provide touchscreens with the means to touch us and express a variety of image-related haptic features. We first propose a new format for haptic data which provides a generic haptic description of a virtual object without prior knowledge on display hardware. This format is meant to be seamlessly integrated in audiovisual content creation workflows, and to be easily manipulated by non-experts in multidisciplinary contexts. Then, we address the challenge of providing a diversity of haptic sensations with lightweight actuation, with the novel approach called “KinesTouch”. We propose in particular a novel friction effect based on large lateral motion that increases or diminishes the sliding velocity between the finger and the screen. Finally, we introduce “Touchy”, a method to apply pseudo-haptic principles to touchscreen interactions. We present a set of pseudo-haptic effects which evoke haptic properties like roughness, stiffness or friction through the vibrations, stretches, dilatations and compressions of a ring-shaped cursor displayed under the user’s finger. We extend these effects to 3D scenes, and discuss the differences between 2D and 3D content enhancement.

La « surface », dans les systèmes interactifs tactiles est à la fois le support du toucher et de l’image. Alors qu’au fil du temps les surfaces tactiles se sont transformées dans leur épaisseur, forme et rigidité, la modalité d’interaction se limite, comme sur les premiers dispositifs, à une mise en contact simple du doigt avec l’écran dans un geste qui feint de manipuler ce qui est affiché. Le sens du toucher, même pour des dispositifs tactiles installés dans des systèmes critiques comme dans l’aéronautique ou l’automobile, reste essentiellement sollicité en tant que prolongement de la vision, pour pointer et contrôler. Alors que les théories de la phénoménologie de la perception, de la perception écologique et des interactions tangibles et incarnées reconnaissent l’importance du corps, de la motricité et des interactions avec l’environnement dans les phénomènes perceptifs, il paraît réducteur de continuer à considérer la vision comme sens premier et principal de l’interaction tactile.Nous pensons que la transformation de la forme physique de l’interface tactile est un moyen efficace pour réincarner l’espace d’interaction tactile en utilisant mieux les capacités motrices des utilisateurs ainsi que leurs habiletés à négocier, manipuler et s’orienter dans leur environnement. A partir d’une caractérisation des risques potentiels du développement des interactions tactiles dans le contexte d’un cockpit d’avion de ligne (augmentation de la charge cognitive, sur-sollicitation du canal visuel, altération de la conscience de la situation, etc.), nous explorons les apports d’une interface tactile à changement de forme pour améliorer la collaboration pilotes-système au travers de la conception, la fabrication et l’évaluation de trois prototypes fonctionnels. Avec l’étude qualitative et quantitative du prototype GazeForm, nous montrons que le changement de forme d’une surface tactile en fonction de la position du regard permet de diminuer la charge de travail, améliorer la performance, réduire les mouvements oculaires et améliorer la distribution de l’attention visuelle comparativement à un écran tactile classique. Par l’élaboration du concept Multi-plié nous mettons en évidence les dimensions et propriétés de la transformation par pliure d’une surface d’affichage interactive. Avec les évaluations qualitatives des deux dispositifs illustrant le concept, le premier présentant une série d’écrans tactiles articulés et le deuxième une surface d'affichage tactile « plissable », nous démontrons qu’une surface tactile continue pliable offre un support pertinent à l'interaction incarnée et permet d’augmenter la sensation de contrôle pour la gestion d’un système critique. Enfin, pour généraliser la connaissance produite à d’autres contextes d’usages avec une forte division de l’attention visuelle (conduite automobile, salle de contrôle, appareil tactile portable en mobilité) nous proposons un espace de conception pour les interfaces tactiles reconfigurables. / The "surface" in interactive touch systems is both the support of touch and image. While over time touch surfaces have been transformed in their thicknesses, shapes and stiffness, the interaction modality is limited, as on the first devices, to a simple contact of the finger with the screen in a gesture that pretends to manipulate what is displayed. The sense of touch, even for touch devices installed in critical systems, such as in the aeronautics or automotive industries, remains mainly used as an extension of vision, to point and control. While the theories of the phenomenology of perception, ecological perception and tangible and embodied interactions recognize the importance of the body, motor skills and interactions with the environment in perceptual phenomena, it seems simplistic to consider vision as the first and main sense of touch interaction. We believe that transforming the physical form of the touch interface is an effective way to reincarnate the space of touch interaction by making better use of users' motor skills and their ability to negotiate, manipulate and orient themselves in their environment. Based on a characterization of the potential risks of developing touch interactions in the context of an airliner cockpit (increase in cognitive load, overload of the visual channel, alteration of situational awareness, etc.), we explore, through the design, manufacture and evaluation of three functional prototypes, the contributions of a touch interface with shape change to improve pilotes-system collaboration. With the qualitative and quantitative study of the GazeForm prototype, we show that changing the shape of a touch surface according to the position of the gaze makes it possible, compared to a conventional touch screen, to reduce the workload, improve performance, reduce eye movements and improve the distribution of visual attention. By qualitative evaluation of the two Multi-plié devices, the first with a series of articulated touch screens and the second with a "pleatable" touch display surface, we show that a transformable touch surface stabilizes touch action, promotes collaboration and improves situational awareness. In addition to these contributions, we find that changing the shape of the touch interaction surface increases the feeling and level of control for the management of a critical system. Finally, to generalize the knowledge produced to other contexts of use with a strong division of visual attention (driving, control room, portable touch device in mobility) we propose a design space for reconfigurable touch interfaces.

Un grand défi actuel consiste à réaliser des capteurs innovants tirant partie des propriétés singulières de nanoparticules colloïdales synthétisées par voie chimique et assemblées de manière contrôlée sur des surfaces. L’objet de cette thèse est le développement de jauges de contrainte résistives à base de nanoparticules. Ces jauges de contrainte sont constituées de lignes parallèles, de quelques micromètres de large, denses, de nanoparticules colloïdales d’or synthétisées par voie chimique et assemblées sur des substrats souples par assemblage convectif contrôlé. Le principe de ces capteurs résistifs repose sur la conduction tunnel entre les nanoparticules qui varie de manière exponentielle lorsque que l’assemblée est déformée. Des mesures électro-mécaniques couplées à des observations en microscopie électronique à balayage et à force atomique ont permis d’identifier, de quantifier et de comprendre l’impact de la taille et de la nature des ligands des nanoparticules sur la sensibilité et les phénomènes de dérive de la résistance à vide des jauges de contrainte. Ces travaux, associés à des mesures de diffusion de rayons X aux petits angles ont permis de corréler les variations macroscopiques de résistance électrique des jauges de contrainte aux déplacements relatifs des nanoparticules. Finalement, ces jauges de contrainte ultra-sensibles et miniatures, mises en matrices, ont été exploitées pour réaliser des surfaces tactiles souples multi-points et sensibles à l’intensité de l’appui / One recent big challenge is to implement innovative sensors that take advantage of the unique properties of colloidal nanoparticles chemically synthesized and assembled on various surfaces. The goal of this work is the development of nanoparticle based resistive strain gauges. These strain gauges are constructed of few micrometers wide parallel wires of close packed colloidal gold nanoparticles, chemically synthesized, and assembled on flexible substrates by convective self assembly. The principle of these resistive sensors is based on the tunnel conduction between the adjacent nanoparticles which varies exponentially as the assembly is stretched. Electro-mechanical measurements coupled with scanning electron microscopy and atomic force microscopy observations were used to identify, quantify and understand the impact of the nanoparticle size and the nature of the protecting ligands, on the gauge sensitivity and the drift of the resistance at rest of the nanoparticle based strain gauges. Coupled with small angle x-ray scattering measurements, these studies allowed us to correlate the macroscopic changes in electrical resistance of the strain gauges to the relative displacement of the nanoparticles at the nanoscale. Finally, a matrix of these miniature ultra-sensitive gauges was used to construct flexible touch screen panels capable of measuring the intensity of several touches simultaneously

L’avènement des interfaces tactiles ouvre des perspectives d’enrichissement de l’interaction entre l’homme et la machine. Nous proposons un nouveau concept de surfaces tactiles souples dont l’objectif est d’étudier l’interaction entre le signal électrique et l’environnement résistif et diélectrique du support, afin de réaliser le système d’acquisition fournissant une information exploitable par la machine.La base technologique est un guide d’ondes sur substrat souple sur lequel le toucher crée une réflexion au port d’entrée. Nous avons développé une méthode de localisation alternative à la réflectométrie temporelle, nommée Harmonic Detection and Location (HDL), permettant l’utilisation d’une électronique d’acquisition de faible complexité, en bande étroite, autour de 100 MHz. Le concept a été validé à partir de mesures sur des dalles tactiles souples et rigides connectées à un analyseur de réseau, utilisé comme référence. Un système d’acquisition compact basé sur un pont de Wheatstone associé à un détecteur de phase a été développé. Pour ce faire, un travail de caractérisation et d’identification des sources d’erreurs a été mené sur les interactions électromagnétiques entre le doigt et le guide d’onde, les imperfections du guide d’onde et la nature du substrat ainsi que l’impact des erreurs induites par l’électronique d’acquisition.Cette connaissance a permis de co-développer la partie matérielle et l’algorithme de détection pour démontrer une précision de localisation de 2cm. Les fondamentaux posés dans ce travail ouvrent la possibilité de réalisation d’interfaces de grande surface, avec une connectique simple, conformables sur des objets sensitifs en trois dimensions / The advent of sensitive interfaces is promising prospects to the human-machine interaction. We propose a new concept of sensitive flexible surface. Its aim is to study the interaction between electrical signal and resistive and dielectric environment of the support in order to realize an acquisition system providing machine readable information.The technological base is a waveguide on flexible substrate on which the touch creates a reflection at the input port. We have developed a location method as an alternative to the time domain reflectometry (TDR). It is named Harmonic Detection and Location (HDL) and it allows using a narrow band, around 100 MHz, low complexity acquisition system. The concept has been approved using measures on flexible and rigid sensitive surfaces connected to a vector network analyzer (VNA) used as reference. A compact acquisition system based on a Wheatstone bridge associated to a phase detector has been developed. For this purpose, errors characterization and identification work has been done. Electromagnetic interactions between the finger and the waveguide, waveguide imperfections, substrate nature and acquisition system errors’ impact have been studied. This knowledge has provided the possibility to co-develop the hardware and the detection algorithm to demonstrate a location accuracy of 2cm. Fundamental principles of this work provide the possibility of realizing large surface interfaces, with simple connection and conformable, for 3D sensitive objects.