Искусственный кончик пальца дает роботам почти человеческое прикосновение

 

Жизнь роботов - прикосновение

Роботы могут быть запрограммированы поднимать автомобиль и даже помогать выполнять некоторые операции, но когда дело доходит до того, чтобы поднять объект, к которому они раньше не прикасались, например яйцо, они часто терпят неудачу. Теперь инженеры придумали искусственный кончик пальца, который преодолевает это ограничение. Прогресс позволяет машинам ощущать текстуры этих поверхностей почти так же, как пальцы людей.

Исследователи “сближают области естественного и искусственного прикосновения ... необходимый шаг для улучшения роботизированного прикосновения”, - говорит Мандаям Шринивасан, исследователь касания в Университетском колледже Лондона, который не участвовал в работе.

Инженеры давно стремились сделать роботов такими же ловкими, как люди. Один из подходов включает в себя оснащение их искусственными нервами. Но “текущее состояние роботизированного прикосновения, как правило, намного уступает тактильным способностям человека”, - говорит Шринивасан.

Итак, когда исследователи из Бристольского университета начали разрабатывать искусственный кончик пальца в 2009 году, они использовали человеческую кожу в качестве ориентира. Их первый кончик пальца, собранный вручную, был размером с банку содовой. К 2018 году они перешли на 3D-печать. Это позволило сделать кончик и все его компоненты размером с большой палец взрослого человека и легче создать серию слоев, приближенных к многослойной структуре человеческой кожи. Совсем недавно ученые включили нейронные сети в кончик пальца, который они называют тактильным. Нейронные сети помогают роботу быстро обрабатывать то, что он чувствует, и реагировать, как настоящий палец.

В наших кончиках пальцев слой нервных окончаний деформируется, когда кожа соприкасается с объектом и сообщает мозгу, что происходит. Эти нервы посылают “быстрые” сигналы, чтобы помочь нам избежать падения чего-либо, и “медленные” сигналы, чтобы передать форму объекта.

Эквивалентные сигналы TacTip поступают от массива булавкообразных выступов под резиновым поверхностным слоем, которые перемещаются при касании поверхности. Булавки массива похожи на щетину щетки для волос: жесткие, но гибкие. Под этим массивом, среди прочего, находится камера, которая определяет, когда и как двигаются контакты. Количество изгибов штифтов обеспечивает медленный сигнал, а скорость изгиба обеспечивает быстрый сигнал. Нейронная сеть преобразует эти сигналы в действия кончика пальца, например, делая его более плотным или регулируя угол кончика пальца.

“Многое из нашего чувства осязания формируется механикой [кожи]”, - говорит Слиман Бенсмайя, нейробиолог из Чикагского университета, который изучает нейронную основу прикосновения. “То, что делает этот подход, действительно решает эту проблему”.

В новой работе инженер Бристольского университета Натан Лепора и его коллеги провели искусственный кончик через его шаги, проверяя его так же, как исследователи оценивают чувство осязания человека. Они измерили выход из камеры, когда кончик пальца касался вельветовых материалов, которые имели зазоры и гребни разной высоты и плотности. Мало того, что искусственный кончик пальца мог обнаружить промежутки и гребни, его выход близко соответствовал нейронным сигнальным паттернам человеческих пальцев, проходящих те же тесты, сообщает команда сегодня в журнале интерфейса Королевского общества.

Однако искусственный кончик пальца был не таким чувствительным, как настоящий. Человек может обнаружить зазор, такой же узкий, как свинец от карандаша, тогда как TacTip нуждался в том, чтобы он был в два раза шире, чтобы заметить его, отмечает Лепора. Но он думает, что разрешение улучшится, как только он и его коллеги разработают более тонкую внешнюю поверхность.

Во втором проекте команда Лепоры добавила больше контактов и микрофон в TacTip. Микрофон имитирует другой набор нервных окончаний глубоко внутри нашей кожи, которые ощущают вибрации, когда мы проводим пальцами по поверхности. Эти нервные окончания повышают нашу способность чувствовать, насколько шероховата поверхность.

Микрофон сделал то же самое, когда исследователи проверили способность улучшенного кончика пальца различать 13 тканей. Опять же, сигналы от микрофона и камеры имитировали сигналы, записанные с человеческих пальцев, выполняющих этот тест, отмечает Лепора.

Исследования впечатляют Левента Бекера, инженера-механика в Университете Коча, который работает над носимыми датчиками. “Роботизированная рука может [теперь] ощущать информацию о давлении и текстуре, подобную человеческому пальцу”, - говорит он.

“Это очень интересный подход, который, я не думаю, что кто-то еще использовал”, - добавляет Бенсмайя. “Это очень круто”. Однако сигналы от искусственных и естественных пальцев не совсем одинаковы, так как сигнализация в реальной коже более интенсивна. “Это только умеренно похоже на кожу”.

Тем не менее, Бенсмайя считает, что этот кончик пальца может помочь роботам обнаруживать, подбирать и манипулировать объектами. И деформируемый резиновый кончик пальца должен дать бионической руке ногу или руку на современных устройствах с жесткими металлическими пальцами рук и ног, говорит он.

Современные роботы должны быть точно запрограммированы на прикрепление определенной детали автомобиля, и им, как и ручным протезам, трудно держаться за твердые предметы, такие как ручка или зубная щетка. Кончики пальцев, такие как TacTip, могут позволить роботам и протезам обрабатывать объекты всех форм и размеров без такого программирования, говорит Лепора. Но Бенсмайя указывает, что “неясно, в какой степени он может быть миниатюризирован”.

Лепора оптимистична TacTip сократится. Камеры и микрофоны становятся все меньше, а улучшенные методы 3D-печати позволяют использовать более тонкие слои. И он, и Бенсмайя считают, что такие меньшие устройства могут приблизиться к человеческому “чувству” еще больше, потому что они смогут обнаруживать более тонкие текстуры и, следовательно, быть более ловкими.

И на базовом уровне это исследование помогает прояснить, как прикосновение работает у людей, говорит Роберт Шепард, ученый-материаловед из Корнельского университета. Лепора и его коллеги в основном выяснили, как нервные окончания кожи переводят то, что они чувствуют, чтобы заставить пальцы поймать мяч, скользящий через наши пальцы, или поднять кран оригами, не раздавливая его (как в видео выше), говорит он. “Такие люди, как я и другие, должны быть более осведомлены об этом”.