Jednolity materiał jako sensor: nowa jakość w percepcji dotykowej robotów
Technologia ta, przypominająca rękawicę zakładaną na dłoń robota, umożliwia mu odczyt informacji o otoczeniu w sposób zbliżony do ludzkiego. Nowatorska, elastyczna i przewodząca elektronika, którą można łatwo wytwarzać i formować w złożone kształty, pozwala robotom nie tylko odczuwać fizyczne bodźce, ale i je przetwarzać. Dzięki temu maszyny mogą skuteczniej wchodzić w interakcje ze światem fizycznym.
W przeciwieństwie do klasycznych rozwiązań dotykowych w robotyce, które bazują na sieci różnych czujników osadzonych w wybranych punktach, nowa elektroniczna skóra całościowo pełni funkcję sensora - analogicznie do ludzkiej skóry. Materiał potrafi rozpoznać ponad 860 000 mikroskopijnych kanałów przewodzących, co umożliwia mu wykrycie różnych typów dotyku i nacisku: od lekkiego stuknięcia palcem, przez kontakt z gorącą lub zimną powierzchnią, po uszkodzenia mechaniczne, jak skaleczenie czy nakłucie.
Aby zoptymalizować działanie skóry, zespół przeprowadził testy fizyczne oraz zastosował techniki uczenia maszynowego. Dzięki nim skóra „uczy się” rozpoznawać najistotniejsze ścieżki sygnałowe dla danego rodzaju kontaktu.
Chociaż technologia znajduje oczywiste zastosowania w robotach humanoidalnych i protetyce, gdzie kluczowe znaczenie ma zmysł dotyku, może być również użyteczna w motoryzacji, działaniach ratowniczych czy pracach w niebezpiecznym środowisku.
Przewaga nad tradycyjnymi rozwiązaniami
Elektroniczne skóry działają poprzez przekształcanie informacji fizycznych - takich jak nacisk czy temperatura - na sygnały elektryczne. Tradycyjnie wymaga to wielu rodzajów czujników (np. osobnych dla temperatury i nacisku), które są wbudowywane w miękkie, elastyczne materiały. Takie rozwiązania są jednak skomplikowane w produkcji, podatne na uszkodzenia, a ich sygnały często się wzajemnie zakłócają.
– Posiadanie osobnych czujników do każdego rodzaju dotyku sprawia, że materiał jest trudny do wykonania – tłumaczy dr David Hardman z Wydziału Inżynierii Uniwersytetu Cambridge, główny autor badania. – Chcieliśmy stworzyć rozwiązanie, które potrafi wykrywać różne rodzaje bodźców w obrębie jednego materiału.
Zespół użył rozciągliwego, przewodzącego hydrożelu na bazie żelatyny, który został roztopiony i odlewany w formie ludzkiej dłoni. Przy zastosowaniu 32 elektrod umieszczonych w okolicy nadgarstka możliwe było zebranie ponad 1,7 miliona danych z całej powierzchni „skóry”. Testy obejmowały między innymi działanie gorącego powietrza, dotyk palcem i ramieniem robota, a nawet przecięcie skalpelem. Dane z testów posłużyły do trenowania modelu uczenia maszynowego, który uczył się rozpoznawać różne rodzaje kontaktu.
– Te materiały potrafią błyskawicznie dostarczać ogromne ilości danych – mówi dr Hardman. – Działają na dużej powierzchni i mierzą wiele parametrów jednocześnie.
– Choć nasza skóra nie dorównuje jeszcze czułością ludzkiej, to przewyższa dostępne obecnie alternatywy – dodaje dr Thomas George Thuruthel z UCL. – Jest elastyczna, prostsza w budowie i można ją kalibrować za pomocą ludzkiego dotyku w różnych zadaniach.
Zespół planuje w przyszłości zwiększyć trwałość skóry i przetestować ją w rzeczywistych zastosowaniach robotycznych.
Projekt był wspierany przez Samsung Global Research Outreach Program, Royal Society oraz brytyjską Radę ds. Badań Inżynieryjnych i Nauk Fizycznych (EPSRC). Prof. Fumiya Iida, współautor, jest członkiem Corpus Christi College w Cambridge.
Źródło: University of Cambridge
