Роботи отримали штучну шкіру для покращення дотику

Науковці з Університету Буффало розробили інноваційну технологію електронного текстилю, яка може революціонізувати здатність роботів до дотику. Нова розробка імітує принципи роботи нервових рецепторів людської шкіри та дозволяє машинам краще відчувати тиск і ковзання об'єктів під час їх захоплення.

Роботи традиційно мають проблеми з тактильними відчуттями. Вони часто роняють предмети або стискають їх занадто сильно, що призводить до пошкодження об'єктів. Ці базові навички, які люди освоїли природним шляхом, залишаються складними для машин. Протягом років науковці оснащували роботів камерами та іншими інструментами для покращення сприйняття об'єктів, але простого та економічно ефективного рішення досі не існувало.

Нова технологія, описана у дослідженні в журналі Nature Communications, копіює механізм роботи нервів у людських руках, які відчувають тиск і ковзання під час захоплення предметів. Джун Лю, доцент кафедри машинобудування та аерокосмічної інженерії Університету Буффало, який є відповідальним автором дослідження, підкреслює широкі можливості застосування цієї технології.

«Застосування дуже захоплюючі. Технологія може використовуватися у виробничих завданнях, таких як складання продуктів та їх упаковка — практично в будь-якій ситуації, де люди та роботи співпрацюють. Вона також може допомогти покращити інструменти для роботизованої хірургії та протези», — зазначає Лю, який також є основним викладачем Інституту RENEW Університету Буффало.

Співавторами дослідження виступили Ехсан Есфахані, доцент кафедри машинобудування та аерокосмічної інженерії, кілька студентів Університету Буффало та колишній аспірант з групи Лю, який зараз працює постдокторантом в Університеті Чикаго.

Вашин Гаутам, аспірант з дослідницької групи Лю та перший автор дослідження, пояснює принцип роботи сенсора: «Наш сенсор функціонує як людська шкіра — він гнучкий, високочутливий та унікально здатний виявляти не лише тиск, але й тонке ковзання та рух об'єктів. Це як надання машинам справжнього відчуття дотику та захоплення, і цей прорив може трансформувати взаємодію роботів, протезів та систем взаємодії людини з машиною зі світом навколо них».

Дослідники інтегрували систему зондування на пару роботизованих пальців, надрукованих на 3D-принтері, які встановлені на податливий роботизований захоплювач, розроблений групою Есфахані. Інтеграція цього сенсора дозволяє роботизованому захоплювачу виявляти ковзання та динамічно регулювати свою податливість та силу захоплення, що дає можливість виконувати завдання маніпулювання в руці, які раніше було важко досягти.

Есфахані наводить конкретний приклад роботи системи: коли дослідники намагалися витягти мідну вагу з пальців, захоплювач відчув це та негайно посилив своє стискання. «Цей сенсор є відсутнім компонентом, який наближає роботизовані руки на один крок до функціонування як людська рука», — додає Есфахані.

Принцип роботи системи базується на трибовольтаїчному ефекті. Незначний рух об'єкта викликає тертя між двома матеріалами, що в свою чергу генерує постійний електричний струм. Цей фізичний феномен дозволяє сенсору реагувати на найменші зміни в положенні або русі захоплених предметів.

Дослідники виміряли час відгуку системи зондування та виявили, що він порівнянний з людськими можливостями. Система реагувала від 0,76 мілісекунди до 38 мілісекунд, залежно від експерименту. Людські тактильні рецептори зазвичай реагують протягом 1−50 мілісекунд, що робить штучну систему цілком конкурентоспроможною з біологічними аналогами.

«Система неймовірно швидка та цілком відповідає біологічним еталонам, встановленим людською продуктивністю», — каже Лю. «Ми виявили, що чим сильніше або швидше ковзання, тим сильніша відповідь сенсора — це сприятливо, оскільки полегшує створення алгоритмів управління, які дозволяють роботу діяти з точністю».

Особливістю розробленої системи є її здатність не просто реєструвати наявність дотику, але й аналізувати характер взаємодії з об'єктом. Сенсор може розрізняти різні типи рухів та відповідно адаптувати силу захоплення. Це критично важливо для завдань, які вимагають делікатного поводження з крихкими або цінними предметами.

Технологія має потенціал для широкого застосування в різних галузях. У виробництві роботи з такими сенсорами могли б виконувати складні завдання складання, де необхідна точність та обережність. У медицині покращені тактильні можливості могли б зробити хірургічні роботи більш ефективними та безпечними. Для людей з ампутованими кінцівками ця технологія може стати основою для створення протезів нового покоління з відновленими тактильними функціями.

Дослідницька команда планує додаткове тестування системи зондування, включаючи інтеграцію форми штучного інтелекту, відомої як навчання з підкріпленням, що може додатково покращити спритність робота. Цей підхід дозволить машинам не просто реагувати на тактильні сигнали, але й навчатися оптимізувати свої дії на основі попереднього досвіду.

Фінансову підтримку дослідження надав Центр передового досвіду в галузі інформатики матеріалів Університету Буффало. Ця робота представляє значний крок вперед у розвитку роботизованих систем та може стати основою для майбутніх інновацій у галузі взаємодії людини з машиною.