نفس‌های آخر دریفت جوی‌استیک؛ وقتی کوانتوم به داد گیمرها می‌رسد

در دنیای بازی‌های ویدیویی، تجربه‌ی بدون مشکل و بی‌عیب‌ونقص برای گیمرها همیشه در اولویت قرار دارد؛ اما یکی از مشکلاتی که گیمرها با آن دست‌وپنجه نرم می‌کنند، دریفت جوی‌استیک یا همان آنالوگ کنترلر است؛ مشکلی که به‌ویژه در کنسول نینتندو سوئیچ، میلیون‌ها گیمر را تحت‌تأثیر قرار می‌دهد، اما دسته‌های سونی و مایکروسافت هم از آن در امان نیستند.

دریفت زمانی رخ می‌دهد که جوی‌استیک‌ها، ورودی‌های اشتباهی را ثبت می‌کنند، حتی زمانی که کسی دسته‌ی بازی را لمس نکرده است. تصور کنید در یک بازی رقابتی مثل فورتنایت، کاراکتر شما به‌طور ناگهانی به سمت چپ حرکت کند، فقط چون جوی‌استیک بدون لمس شدن، سیگنال اشتباه فرستاده؛ اینجاست که دریفت جوی‌استیک از یک نقص فنی ساده به کابوسی برای گیمرها تبدیل می‌شود.

در دنیای فناوری، همیشه راه‌حل‌هایی برای مشکلات پیدا می‌شود. برای این مشکل خاص، ابتدا حسگرهای اثر هال (Hall Effect) به‌عنوان راه‌حل مطرح شدند، اما حالا فناوری جدیدی به‌نام «مقاومت مغناطیسی تونلی» (Tunneling Magnetoresistance یا TMR) معرفی شده است که می‌تواند آینده‌ی دسته‌های بازی را به‌طور چشمگیری متحول کند. این فناوری با استفاده از اصول فیزیک کوانتوم و مغناطیس، نسبت به روش‌های قبلی، دقت بسیار بیشتری در اندازه‌گیری حرکت‌ها ارائه می‌دهد.

مهدیه یوسفی

فیزیک کوانتوم به زبان ساده؛ جهانی در هاله‌ احتمال

مطالعه '30

فناوری TMR در واقع راه‌حلی نوآورانه برای مشکلاتی است که پیش از این از طریق حسگرهای اثر هال یا دیگر روش‌های مشابه حل نشده بودند. در مقاله‌ی پیش‌رو، به بررسی این فناوری و چگونگی تأثیر آن بر بهبود عملکرد جوی‌استیک‌ها خواهیم پرداخت؛ اما قبل از آن کمی در مورد اثر هال و تونل‌زنی کوانتومی صحبت می‌کنیم.

جوی‌‌استیک‌ها بخش اصلی دسته‌های بازی هستند که بیشتر با آن‌ها سروکار داریم. از این قطعات برای حرکت دادن شخصیت یا جابه‌جایی در منوها استفاده می‌کنیم. داخل جوی‌استیک‌ها، قطعه‌ای به نام پتانسیومتر یا پات وجود دارد که نقش بسیار مهمی در عملکرد آن‌ها ایفا می‌کند. پتانسیومتر یک مقاومت متغیر است که بسته به موقعیت جوی‌استیک، ولتاژ متفاوتی تولید می‌کند. این ولتاژها برای شناسایی دقیق حرکت‌ها به کنسول یا کامپیوتر ارسال می‌شوند.

با گذر زمان، قطعات پات (پتانسیومتر) فرسوده می‌شوند و ولتاژ خروجی آن‌ها نوسان پیدا می‌کند. این نوسانات باعث ثبت ورودی‌های اشتباهی توسط دسته‌ی بازی و ایجاد دریفت جوی‌استیک می‌شود. در این حالت، حتی اگر سایر قسمت‌های دسته‌ی بازی سالم باشند، عملکرد آن تحت‌تأثیر قرار می‌گیرد و حرکت‌های ناخواسته در بازی به‌وجود می‌آیند. همین اتفاق باعث می‌شود کنترل بازی از دست گیمر خارج شود. ورود گردوغبار یا ذرات به درون محفظه‌ی جوی‌استیک هم گاهی باعث اختلال در حرکت دقیق و بازگشت صحیح به نقطه‌ی صفر می‌شود.

بدترین قسمت ماجرا آن است که تعمیر مشکل دریفت کار هر کسی نیست، مگر اینکه تجربه‌ای در زمینه‌ی تعمیرات الکترونیکی داشته باشید. ازآنجاکه قطعات بیشتر دسته‌های بازی قابل تعویض نیستند، در صورت خرابی پات، باید دسته را برای همیشه کنار بگذارید.

باوجود مشکلاتی مانند دریفت جوی‌استیک و فرسودگی قطعات، دنیای فناوری همیشه راه‌حل‌هایی برای بهبود دارد. حسگرهای پتانسیومتری سال‌ها است در دسته‌های بازی استفاده می‌شوند، اما فناوری‌های جدیدتری به میدان آمده‌اند که می‌توانند مشکل دریفت را به‌طور اساسی حل کنند.

یک راه‌حل‌، استفاده از حسگرهای اثر هال برای تشخیص حرکت جوی‌استیک‌هاست. فناوری جدیدتری نیز به‌نام «مقاومت مغناطیسی تونلی» (TMR) وارد میدان شده است که می‌تواند دقت و پایداری دسته‌های بازی را به میزان قابل‌ توجهی افزایش دهد.

آیا تاکنون به این موضوع فکر کرده‌اید که سرعت‌سنج‌های الکترونیکی یا سیستم ترمز ضدقفل، چگونه کار می‌کنند؟ این‌ موارد همگی به‌لطف اثر هال امکان‌پذیر هستند. اثر هال در موارد بسیاری مانند دسته‌های بازی، تردمیل‌ها، چاپگرهای سه‌بعدی و حسگرهای موقعیت کاربرد دارد.

اثر هال زمانی رخ می‌دهد که میدان مغناطیسی به‌طور عمود بر جریان الکتریکی در یک رسانا اعمال و اختلاف پتانسیل ایجاد شود. برای درک بهتر این موضوع، فرض کنید یک رسانا به باتری متصل باشد و جریان الکتریکی از آن عبور کند. در این حالت، هیچ‌چیز غیرعادی‌ای مشاهده نمی‌کنید و ولتاژ در سراسر رسانا صفر خواهد بود.

اکنون اگر یک میدان مغناطیسی عمود بر رسانا (تصویر زیر) اعمال کنیم، رفتار آن تغییر می‌کند.

در این حالت، الکترون‌های داخل رسانا به یک سمت منحرف می‌شوند، چون جریان الکتریکی پس از اعمال میدان مغناطیسی، تحت‌تأثیر نیرویی به نام نیروی لورنتس قرار می‌گیرد. این نیرو، باعث می‌شود الکترون‌ها به یک طرف کشیده شوند و در نتیجه اختلاف پتانسیل یا ولتاژ هال در رسانا ایجاد شود. این پدیده، تغییراتی در ولتاژ ورودی به وجود می‌آورد که می‌توان از آن برای اندازه‌گیری ویژگی‌های مختلف مواد و حتی شبیه‌سازی برخی رفتارهای فیزیکی استفاده کرد.

سنسورهای مبتنی‌بر اثر هال یکی از پرکاربردترین و حیاتی‌ترین فناوری‌ها برای اندازه‌گیری میدان‌های مغناطیسی هستند و در صنایع مختلف به کار می‌روند. این سنسورها به‌ویژه در خودروها برای اندازه‌گیری سرعت چرخ‌ها و تعیین موقعیت میل‌لنگ و همچنین در دستگاه‌های متنوعی مانند قطب‌نماهای MEMS، سوئیچ‌ها و در دسته‌های بازی کاربرد دارند.

این سنسورها به‌جای استفاده از قطعات مکانیکی که به مرور زمان فرسوده می‌شوند و ممکن است باعث دریفت جوی‌استیک شوند، از فناوری بدون تماس برای اندازه‌گیری حرکت‌ها استفاده می‌کنند. این ویژگی باعث می‌شود که تجربه‌ی بازی دقیق‌تر و پایدارتر شود. سنسورهای اثر هال در جوی‌استیک‌ها، دکمه‌های کنترل و حتی در پدال‌های کنترلی برای افزایش دقت و کاهش احتمال خطا در حرکت‌ها استفاده می‌شوند.

حسگرهای اثر هال به‌عنوان یکی از پیشرفته‌ترین روش‌ها برای شناسایی میدان‌های مغناطیسی شناخته می‌شوند. این حسگرها به‌طور خاص توانایی تبدیل تغییرات میدان مغناطیسی به سیگنال‌های الکتریکی را دارند و می‌توانند به‌طور دقیق شدت و حضور میدان مغناطیسی را اندازه‌گیری کنند.

همان‌طور که اشاره کردیم، این فناوری با استفاده از اصول فیزیک کوانتوم و مغناطیس می‌تواند دقت بالاتر و عملکرد بهتری را در مقایسه با حسگرهای اثر هال، از خود نشان دهد. TMR نه‌تنها در محیط‌های با دماهای مختلف و شرایط سخت عملکرد بهتری دارد، بلکه با مصرف انرژی پایین‌تر و حساسیت بیشتر، می‌تواند آینده‌ی دسته‌های بازی و دستگاه‌های الکترونیکی را دگرگون کند.

اصطلاح «مقاومت مغناطیسی تونلی» پیچیده و تخصصی به‌نظر می‌رسد، اما اصول پشت این فناوری بسیار ساده و جذاب است. این پدیده به‌طور مستقیم بر پایه‌ی تونل‌زنی کوانتومی بنا شده است و درواقع نمونه‌ای عملی از تونل‌زنی کوانتومی به‌شمار می‌رود.

سرعت سریع‌ترین توپ بیسبال پرتاب‌شده به بیش از ۱۷۰ کیلومتربرساعت می‌رسد؛ اما حتی همین توپ بیسبالِ فوق‌العاده‌سریع هم نمی‌تواند از یک دیوار آجری عبور کند. این کار غیرممکن است، مگر آنکه در حال بازی با یک توپ بیسبال کوانتومی باشیم.

توپ بیسبالِ داستان ما، دو راه برای عبور از دیوار دارد:

• دیوار را دور بزند.
• دیوار را خراب کند.

توپ بیسبال ممکن است انرژی کافی برای عبور از تکه‌ای کاغذ را داشته باشد، اما حتی سریع‌ترین توپ هم پس از برخورد به دیوار، برمی‌گردد؛ اما ذرات کوانتومی، قصه‌ی متفاوتی دارند. گاهی اوقات، این ذرات در حال عبور از موانعی دیده می‌شوند که به‌نظر نمی‌رسد انرژی کافی برای عبور از آن‌ها را داشته باشند.

رفتار منطقی، بازگشت این ذرات پس از برخورد با موانع است؛ اما جالب اینجاست که آن‌ها در آن طرف دیوار نشسته‌اند و هیچ مشکلی ندارند. چطور ممکن است؟ این پدیده را می‌توان با ویژگی‌های عجیب‌وغریب مکانیک کوانتومی توضیح داد.

چطور چنین چیزی ممکن است؟ این پدیده تونل‌زنی کوانتومی نام دارد و به‌دلیل رفتار موجی ذرات کوانتومی (فتار دوگانه‌ی موج ذره) رخ می‌دهد. برطبق اصل عدم قطعیت هایزنبرگ، همزمان نمی‌توانیم مکان دقیق یک ذره (Δx) و تکانه‌ی دقیق آن (Δp = mv) را با دقت دلخواه اندازه‌‌گیری کنیم. مثل این است که بخواهیم بدانیم یک ماشین دقیقاً کجاست و با چه سرعتی حرکت می‌کند، اما هرچه یکی را دقیق‌تر بدانیم، دیگری مبهم‌تر می‌شود.

بنابراین، در مقیاس کوانتومی هرگز همزمان سرعت و مکان دقیق ذرات را نمی‌دانیم. گاهی از هر تریلیون ذره، یکی شانس آن را دارد که ناگهان در طرف دیگر مانع ظاهر شود، انگار اصلاً سدی در کار نبوده است.

به‌عنوان مثال، به خورشید فکر کنید. خورشید به‌دلیل همجوشی هسته‌ای می‌درخشد. اتم‌های هیدروژن با هم ترکیب و به اتم‌های هلیوم تبدیل می‌شوند و انرژی را به شکل نور آزاد می‌کنند. در یکی از مراحل این فرایند دو پروتون باید به اندازه‌ای به هم نزدیک شوند که یک پیوند هسته‌ای شکل بگیرد. اما پروتون‌ها بار مثبت دارند و مثل آهنربا یکدیگر را دفع می‌کنند. محاسبات اولیه نشان می‌دهند که غلبه بر چنین دافعه‌ای حتی در هسته‌ی داغ و فشرده یک ستاره، ممکن نیست؛ اما این اتفاق می‌افتد، چون تونل‌زنی کوانتومی وجود دارد.

احتمال وقوع این پدیده بسیار کم است و در کمتر از یک تریلیون برخورد چنین چیزی رخ می‌دهد؛ اما در همین موارد خاص، نیروی هسته‌ای قوی می‌تواند پروتون‌ها را به هم وصل کند. بدون تونل‌زنی کوانتومی، خورشید اصلاً نمی‌درخشید.

برای درک فناوری مقاومت مغناطیسی تونلی، فرض کنید دو آهنربا دارید که بین آن‌ها یک دیوار بسیار نازک قرار دارد. این آهن‌رباها ویژگی خاصی دارند: جهت قطب‌های شمال و جنوب مغناطیسی خود را می‌توانند تغییر دهند. دیوار آنقدر نازک است که ذرات ریز، مانند الکترون‌ها، می‌توانند از آن عبور کنند، ولی این عبور به‌راحتی امکان‌پذیر نیست.

تصور کنید که عبور الکترون‌ها از دیوار را می‌توانیم به‌عنوان «مقاومت» در نظر بگیریم. وقتی آهن‌رباها در یک جهت قرار بگیرند (مثلاً شمال-شمال یا جنوب-جنوب)، الکترون‌ها به‌راحتی از دیوار عبور می‌کنند و مقاومت کم است؛ اما زمانی که آهن‌رباها در جهت‌های مخالف قرار بگیرند (شمال-جنوب)، عبور الکترون‌ها سخت‌تر می‌شود و مقاومت افزایش می‌یابد.

حسگرهای TMR با دنبال کردن مسیری مشابه، به‌جای استفاده از آهن‌ربا، از مواد خاصی استفاده می‌کنند که مشابه آهن‌ربا هستند. وقتی یک میدان مغناطیسی، مانند میدان یک آهنربا یا سیمی که جریان الکتریکی از آن عبور می‌کند به این مواد نزدیک می‌شود، جهت‌گیری آن‌ها تغییر می‌کند. این تغییر جهت، مقاومت حسگر را تغییر می‌دهد. با اندازه‌گیری تغییراتِ مقاومت، حسگرهای TMR می‌توانند اطلاعات دقیق‌تری از میدان مغناطیسی به ما بدهند؛ مثلاً می‌توانند شدت، جهت و حتی منبع میدان را شناسایی کنند.

در فناوری TMR از یک اصل فیزیکی جالب برای شناسایی میدان‌های مغناطیسی استفاده می‌شود. این فناوری، به تغییراتِ چرخش الکترون‌ها (اسپین الکترون‌ها) بستگی دارد و مقاومت مغناطیسی تونلی نقش مهمی را در آن ایفا می‌کند.

در چنین پدیده‌ای، مقاومت الکتریکی یک اتصال مغناطیسی، بسته به جهت‌گیری لایه‌های مغناطیسی، به‌طور چشمگیری تغییر می‌کند. این حسگرها معمولاً از دو لایه‌ی فرومغناطیسی تشکیل شده‌اند که با یک لایه‌ی جداکننده‌ی غیرمغناطیسی از هم جدا می‌شوند.

به‌ بیان دیگر، تغییرات ایجادشده در جهت‌گیری لایه‌ها باعث می‌شود که احتمال تونل‌زنی الکترون‌ها (عبور الکترون‌ها از یک لایه به لایه‌ی دیگر) بیشتر یا کمتر شود. تغییرِ جریان الکترون‌ها، مقاومت الکتریکی حسگر را به‌صورت مستقیم تغییر می‌دهد.

حسگرهای TMR مشابه حسگرهای اثر هال عمل می‌کنند، اما یک تفاوت اساسی دارند: جوی‌استیک‌های سنتی از قطعاتی استفاده می‌کنند که با هم تماس دارند و به‌مرور زمان دچار فرسایش می‌شوند، درحالی‌که حسگرهای TMR از مغناطیس استفاده می‌کنند و هیچ‌گونه تماس فیزیکی‌ای بین قطعات وجود ندارد. همین موضوع باعث می‌شود که دقت و عمر حسگرها به‌شدت افزایش یابد و دیگر نیازی نیست در مورد فرسایش قطعات و خرابی آن‌ها نگران باشیم.

همان‌طور که در بخش قبل اشاره کردیم، در حسگرهای TMR، الکترون‌ها برای عبور از یک لایه‌ی عایق از پدیده‌ای به‌نام تونل‌زنی کوانتومی استفاده می‌کنند؛ یعنی الکترون‌ها می‌توانند از موانعی عبور کنند که در حالت عادی نمی‌توانند.

سنسورهای هال بین ۰٫۵ تا ۲ میلی‌آمپر برق مصرف می‌کنند، درحالی‌که سنسورهای TMR فقط بین ۰٫۱ تا ۰٫۳ میلی‌آمپر مصرف دارند. این ویژگی باعث می‌شود بتوان سنسورهای TMR را بدون نیاز به هیچ تغییری در مدارهای کنترلرهای فعلی جایگزین کرد (نسبت ۱:۱). این سازگاری ساده می‌تواند باعث سرعت گرفتن پذیرش این فناوری و کاهش هزینه‌ی تولید شود، چون نیاز به طراحی مدار جدید یا تغییر در منبع تغذیه وجود ندارد.

علاوه‌بر‌این، حسگرهای TMR به‌دلیل داشتن پایداری بالاتر در دماهای مختلف، گزینه‌ای عالی برای محصولاتی هستند که برای مدت‌زمان طولانی در دست افراد قرار می‌گیرند. این ویژگی برای دسته‌های بازی‌ای که مدت‌زمان طولانی در دست گیمرها قرار دارند، بسیار مهم است.

اگرچه فناوری TMR هنوز به‌طور کامل در سخت‌افزار بازی استفاده نمی‌شود، برخی از تولیدکنندگان مانند GuliKit و 8BitDo و GameSir از این فناوری در دسته‌های خود استفاده کرده‌اند. همچنین، در سال ۲۰۲۴، GuliKit نخستین شرکتی بود که کیت‌های ارتقایافته‌ای را برای اضافه کردن این فناوری به دسته‌های ایکس‌باکس، پلی‌استیشن و نینتندو سوییچ عرضه کرد.

بااین‌حال، هنوز چند سالی تا فراگیر شدن کامل فناوری TMR در دنیای سخت‌افزارهای بازی فاصله داریم و نسل دوم نینتندو سوییچ هم کماکان از این فناوری بی‌بهره خواهد بود. حسگرهای TMR درحال‌حاضر نسبت به حسگرهای اثر هال گران‌تر هستند، به‌ویژه زمانی که به‌صورت محدود تولید می‌شوند؛ اما به گفته‌ی مدیر تجاری GuliKit، با بلوغ این فناوری، قیمت‌ها کاهش پیدا می‌کنند و به‌زودی شاهد استفاده‌ی گسترده‌تری از آن در دنیای بازی خواهیم بود.