Доступная, долговечная, ультрачувствительная роботизированная кожа для усиленного человеко-подобного сенсирования

Эндрю Корселли

(Изображение: Кембриджский университет)

Прорыв в роботизированной тактильной коже

Ученые разработали недорогую, долговечную, высокочувствительную роботизированную «кожу», которую можно надевать на роботизированные руки как перчатку, позволяя роботам обнаруживать информацию об окружении способом, похожим на людей.

Исследователи из Кембриджского университета и Университета колледжа Лондона (UCL) разработали гибкую, проводимую кожу, которая легко фابрикуется и может быть расплавлена и сформирована в широкий спектр сложных форм. Технология сенсирует и обрабатывает ряд физических входов, позволяя роботам взаимодействовать с физическим миром более значимым образом.

В отличие от других решений для роботизированного тактильного восприятия, которые обычно работают через сенсоры, встроенные в небольшие области и требуют разных сенсоров для обнаружения разных типов прикосновений, вся электронная кожа, разработанная исследователями Кембриджа и UCL, является сенсором, приближая её к нашей собственной сенсорной системе: нашей коже.

Хотя роботизированная кожа не так чувствительна, как человеческая кожа, она может обнаруживать сигналы от более чем 860 000 крошечных путей в материале, позволяя ей распознавать разные типы прикосновений и давления — как касание пальца, горячую или холодную поверхность, повреждение от реза или укола, или множественные точки, касаемые одновременно — в одном материале.

Исследователи использовали комбинацию физических тестов и техник машинного обучения, чтобы помочь роботизированной коже «научиться», какие из этих путей важнее всего, так что она может чувствовать разные типы контакта более эффективно.

Эксклюзивное интервью Tech Briefs с соавтором Томасом Джорджем Тхуртел

Tech Briefs: Какая была крупнейшая техническая проблема, с которой вы столкнулись при плавлении и формовке кожи?

Тхуртел: Было несколько небольших проблем. Думаю, одна из них — этот материал не так легко течет. Нельзя создавать очень сложные формы. Можно получить такие вещи, как зазоры. Но честно говоря, крупнейшей проблемой было подключение этого материала к нашей электронной плате. Сам материал мягкий и комплаентный, но провода в какой-то момент должны быть жесткими. Этот интерфейс между мягким материалом и этим жестким проводом — всегда большая проблема.

Tech Briefs: Как выглядит процесс плавления и формовки форм?

Тхуртел: У нас есть водяная баня. Этот материал плавится при 50–60 °C, а затем затвердевает при 30–40 °C. Так что мы нагреваем его до жидкого состояния, у нас есть форма, где будут маленькие отверстия, через которые можно залить материал. Будут маленькие отверстия, чтобы воздух мог выйти. Вы заливаете материал, запечатываете все отверстия и держите снаружи несколько часов, чтобы он застын. Затем вы открываете форму. Конечно, форма легко отсоединяется, чтобы можно было извлечь сформированную форму позже.

Tech Briefs: В статье, которую я читал, говорится: «Хотя роботизированная кожа не так чувствительна, как человеческая кожа, она может обнаруживать сигналы от более чем 860 000 крошечных путей в материале». Мой вопрос: сколько сигналов может обнаружить текущий коммерческий e-skin и как эти числа соотносятся с человеческим тактильным восприятием?

Тхуртел: Хотя мы сказали 860 000 каналов, это не обязательно означает, что это количество независимых единиц информации, которые вы получаете. Там много информации, но много информации избыточно. Мы не квантовали, сколько независимой информации вы получаете. Но я бы сказал, примерно, для нашей установки, я бы сказал, что это будет около 2000–3000 единиц — это число, на которое вы смотрите. Для человеческой руки это число было бы около 15 000 единиц. Многие коммерческие очень дискретны; то, что вы в основном видите, в порядке сотен или десятков — я думаю, даже сотни очень редки.

Однако есть технология под названием vision-based tactile sensors, которая использует камеры, встроенные внутри рук. Теоретически у них было бы более высокое разрешение, но снова, это не может быть квантовано. Нельзя получить число, сколько единиц у вас есть.

Tech Briefs: У вас есть планы на дальнейшие исследования? А если нет, какие ваши следующие шаги?

Тхуртел: Мы получили недавний грант Великобритании; мы пытаемся развить эту технологию для более коммерческих приложений. Мы не тестировали, как кожа проявит себя при повторных контактах, скажем, тысячи или 10 000 взаимодействий. Думаю, мы предвидим, что это может быть проблемой, особенно на этом интерфейсе между мягким материалом и сетью.

Так что мы смотрим на лучшие способы интерфейса и также смотрим на другие материалы. То, что мы используем — гидрогель, который приличный материал, но не очень надежный или долговечный. Мы смотрим на более синтетические материалы, природные материалы, как резина, например, как альтернативу.

И потом мы смотрим на задачи более высокого уровня. Сейчас мы просто оцениваем перцептивную информацию, например, где находится локация контакта. Мы хотим закрыть цикл — так как мы используем эту информацию на роботизированной руке или системе, чтобы она могла выполнять реальные задачи, которые довольно полезны?

Это наши следующие шаги.

Транскрипт видео

00:00:02 Роботы теперь могут чувствовать, что они касаются, как мы. Ну, почти. Исследователи Кембриджского университета создали искусственную кожу, набитую ультрачувствительными сенсорами. Эти сенсоры не просто обнаруживают давление, они считывают текстуру, температуру, даже болевые сигналы. Кожа, которую исследователи отлили в форму руки, сделана из

00:00:29 электролизированного гидрогеля с электродами, встроенными вокруг запястья. Электрические поля, генерируемые через кожу, обнаруживают разные типы стимуляции. Сенсоры мониторят тысячи бит информации, которые не только обнаруживают, где стимуляция, но и тип стимуляции. Информация затем передается к электродам. Искусственная кожа может обнаруживать множественные

00:00:56 ощущения одновременно, такие как прикосновение, влажность, температура и боль, и может надеваться на механические роботизированные руки как перчатка. Эта недорогая кожа может революционизировать области протезирования, роботизированной хирургии, автомобильной промышленности, реабилитации и даже космической разведки. Как это ощущается? Будущее стало немного более человечным.