Люди можуть відчувати закопані предмети через пісок

Науковці з Лондонського університету королеви Марії та Університетського коледжу Лондона виявили, що люди володіють прихованою сенсорною здатністю відчувати предмети, заховані під сипучими матеріалами, ще до того, як доторкнуться до них. Це відкриття може суттєво вплинути на розвиток робототехніки та методів дослідження середовищ з обмеженою видимістю.

Дотик зазвичай сприймається як відчуття, що працює лише під час безпосереднього контакту шкіри з твердою поверхнею. Проте багато тварин використовують розширену форму дотику. Прибережні птахи, такі як кульони та зуйки, покладаються на слабкі сигнали через мокрий пісок, щоб знайти їжу, яку їхні очі не бачать. Дослідники припустили, що люди можуть мати подібну здатність до дистанційного дотику, яку зазвичай не помічають.

Для перевірки цієї гіпотези науковці попросили дванадцять добровольців віком від 18 до 26 років провести одним пальцем через сухий пісок всередині довгих закритих коробок. Учасники рухали пальцями зі швидкістю два сантиметри на секунду, орієнтуючись на смугу світлодіодів, що показували потрібний темп. Кожна коробка містила пластиковий куб розміром п'ять сантиметрів, захований десь уздовж доріжки довжиною понад один метр. Учасники занурювали вказівні пальці в пісок через вузьку щілину і продовжували рух, доки щось не здавалося незвичним.

Хоча куб залишався поза полем зору, пальці учасників реагували на дрібні збурення. Піщинки рухалися по-іншому поблизу захованого об'єкта, створюючи вузьку зону м'якого опору далеко попереду куба. Ці зміни не очевидні, вони поводяться як брижі в переповненому потоці — їх важко побачити, але вони присутні. Перед кожним випробуванням учасники практикувалися доторкатися до куба безпосередньо, щоб глибина занурення пальця залишалася постійною. У середньому вони занурювали пальці приблизно на 4,8 сантиметра в пісок.

За результатами 216 випробувань з участю людей дані виявилися чіткими. Учасники виявили справжні заховані об'єкти 79 разів без дотику до них, зробили відкриття на основі контакту 35 разів, зафіксували 30 помилкових спрацювань і правильно повідомили про відсутність об'єкта в 58 випробуваннях. Коли дослідники проаналізували результати за допомогою теорії виявлення сигналів, вони отримали середній показник чутливості d′ = 1,1973, що значно перевищує випадковий рівень. Показник упередженості відповіді c = –0,112 показав, що учасники не просто вгадували.

Більшість людей відчували куб приблизно за 2,7 сантиметра до того, як досягли його. Хоча це число не досягає теоретичного максимуму в 6,9 сантиметра, передбаченого фізикою гранульованих матеріалів, воно відповідає очікуванням для нестабільного, рухливого піску. Попри природну варіативність руху кінчика пальця, точність людей досягла понад 70 відсотків.

Елізабетта Версаче з Лондонського університету королеви Марії пояснила, що це перший раз, коли таке відчуття було перевірено у людей. Вона зазначила, що ця робота змінює уявлення про світ сприйняття, показуючи, що усвідомлення простягається далі, ніж лише поверхневий контакт.

Щоб зрозуміти, як людська чутливість порівнюється з інженерними можливостями, команда створила роботизований аналог. Роботизована рука UR5 переміщала штучний кінчик пальця з чотирма датчиками, призначеними для вимірювання сил у трьох напрямках. Вся конструкція відповідала розміру людського пальця. Робот рухався через пісок з тією ж швидкістю, що й добровольці, і завершив 120 випробувань, включаючи 20 без присутності об'єкта.

Дослідники навчили п'ять моделей машинного навчання з використанням мереж довгої короткочасної пам'яті. Кожна модель використовувала різний поріг виявлення від трьох до одинадцяти сантиметрів для визначення присутності об'єкта. Найнижчий поріг дав найбільш збалансовані результати. У цьому випадку робот виявив справжні об'єкти в кожному випробуванні та уникнув помилкових спрацювань у 90 відсотках випадків. Його точність досягла 91 відсотка, що вище за будь-який людський показник.

Моделі з ширшими порогами відчували об'єкти з більших відстаней, але робили набагато більше помилок. При вищих порогах точність падала до нуля, оскільки алгоритм сприймав звичайний рух піску як доказ присутності об'єкта.

Медіанні відстані виявлення показали чіткий зв'язок між порогом і дальністю: 2,46 сантиметра для найнижчого порога, 4,43 сантиметра для моделі з п'ятьма сантиметрами і до 12,94 сантиметра для найбільшого порога. Але раннє виявлення мало свою ціну. Робот часто відчував речі, яких там не було.

Найсильніше порівняння отримали, зіставивши людські дані з моделлю робота на сім сантиметрів. Обидва досягли подібних максимальних діапазонів, близьких до передбаченої межі фізики піску.

Люди виявляли справжні об'єкти зі стабільною точністю та давали менше помилкових спрацювань. Люди природно обережні, коли доказів мало, особливо коли не можуть бачити, що попереду. Робот, навпаки, різко реагував на найслабкіші зміни сили. Це зробило його надзвичайно чутливим, але також більш схильним до неправильної інтерпретації шуму як сигналу.

Лоренцо Джамоне з Університетського коледжу Лондона зазначив, що дві системи керували одна одною. Він відзначив, що дизайн роботизованого дослідження виник із людських результатів, а детальні дані робота допомогли дослідникам переосмислити людські висновки. Ця співпраця показала, як психологія, робототехніка та штучний інтелект доповнюють один одного.

Чженці Чень, аспірант, залучений до роботи з роботами, сказав, що відкриття відкриває двері для допоміжних технологій, які допомагають людям відчувати за межами їхніх природних можливостей. Ці інструменти можуть дозволити досліджувати гранульований ґрунт, знаходити загублені предмети в завалах або вивчати крихкі ґрунти без пошкоджень.

Це дослідження може змінити взаємодію з місцями, де зір не працює. Роботи, які відчувають через пісок, можуть підтримувати археологічні розкопки, виявляючи об'єкти до того, як пензель доторкнеться до них. Пошуково-рятувальні команди можуть використовувати роботів на основі дотику для виявлення захованих небезпек або зниклих людей після катастроф. Планетарні місії можуть покладатися на тактильне відчуття для дослідження шаруватих ґрунтів на Марсі або крижаних супутниках, де видимість низька, а текстура поверхні непередбачувана.

Вивчаючи, як працює відчуття дотику в цих екстремальних середовищах, інженери можуть проектувати інструменти та машини, які роблять людей безпечнішими, розширюючи межі людського сприйняття. Результати дослідження опубліковані в журналі IEEE Xplore.