Тем не менее, на сегодняшний день для большинства роботизированных и протезных рук было трудно или невозможно точно определить вибрации и силы сдвига, которые возникают, например, когда палец скользит по поверхности стола или когда объект начинает падать.Теперь инженеры из Вашингтонского университета и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали гибкую сенсорную «кожу», которую можно натянуть на любую часть тела робота или протез, чтобы точно передавать информацию о поперечных силах и вибрации, которые имеют решающее значение для успешного захвата и манипулирования объектами.Кожа сенсора робота, созданная на основе биологических источников, описанная в статье, опубликованной в журнале «Датчики и исполнительные механизмы A: физические», имитирует то, как человеческий палец испытывает напряжение и сжатие, когда он скользит по поверхности или различает различные текстуры. Он измеряет эту тактильную информацию с такой же точностью и чувствительностью, что и человеческая кожа, и может значительно улучшить способность роботов выполнять все, от хирургических и промышленных процедур до уборки кухни.
«Роботизированные и протезные руки сейчас действительно основаны на визуальных подсказках, таких как:« Могу ли я увидеть, как моя рука обвивается вокруг этого объекта? » или "Это касается этого провода?" Но это явно неполная информация », — сказал старший автор Джонатан Познер, профессор машиностроения и химического машиностроения из Университета штата Вашингтон.«Если робот собирается разобрать самодельное взрывное устройство, ему необходимо знать, скользит ли его рука по проволоке или тянет за нее. Чтобы удержать медицинский инструмент, ему необходимо знать, скользит ли объект.
Все это требует способности ощущать силу сдвига, с чем не мог справиться ни один другой сенсорный слой », — сказал Познер.Некоторые роботы сегодня используют пальцы, полностью оснащенные инструментами, но это чувство «прикосновения» ограничено этим придатком, и вы не можете изменить его форму или размер для выполнения различных задач. Другой подход состоит в том, чтобы обернуть придаток робота в оболочку сенсора, что обеспечивает большую гибкость конструкции. Но такие скины еще не предоставили полный спектр тактильной информации.
«Традиционно конструкции тактильных датчиков сосредоточены на восприятии индивидуальных модальностей: исключительно нормальных сил, поперечных сил или вибрации. Однако ловкое манипулирование — это динамический процесс, требующий мультимодального подхода. Тот факт, что наш последний прототип кожи включает в себя все три модальности, создает много новых возможности для подходов, основанных на машинном обучении, для расширения возможностей роботов ", — сказала соавтор и соавтор по робототехнике Вероника Сантос, доцент кафедры механической и аэрокосмической техники Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.Новый эластичный электронный скин, который был изготовлен на заводе нанофабрикатов Вашингтонского университета, сделан из того же силиконового каучука, который используется в очках для плавания.
В каучук встроены крошечные змеевидные каналы — примерно половину ширины человеческого волоса — заполненные электропроводящим жидким металлом, который не трескается и не устает при растяжении кожи, как это делают сплошные провода.Когда кожа помещается вокруг пальца или концевого эффектора робота, эти микрофлюидные каналы стратегически размещаются по обе стороны от ногтя человека.Когда вы проводите пальцем по поверхности, одна сторона ногтевого ложа выпячивается, а другая при натяжении натягивается. То же самое происходит с роботом или протезом пальца — микрофлюидные каналы на одной стороне ногтевого ложа сжимаются, а каналы на другой стороне растягиваются.
Когда изменяется геометрия каналов, меняется и количество электричества, которое может проходить через них. Исследовательская группа может измерить эти различия в электрическом сопротивлении и сопоставить их с усилиями сдвига и вибрациями, которые испытывает палец робота.«Это действительно следование подсказкам человеческой биологии», — сказал ведущий автор Цзяньчжу Инь, недавно получивший докторскую степень в области машиностроения в Университете штата Вашингтон. «Наша электронная кожа выпячивается в одну сторону, как человеческий палец, и датчики, измеряющие силы сдвига, физически расположены там, где могло бы быть ногтевое ложе, в результате чего получается датчик, который работает с такими же характеристиками, как человеческие пальцы».Размещение датчиков подальше от той части пальца, которая, скорее всего, будет контактировать, позволяет легче отличить поперечные силы от обычных «толкающих» сил, которые также возникают при взаимодействии с объектом, что было трудно сделать с другими решениями для кожи датчика. .Исследовательская группа из инженерного колледжа UW и Школы инженерии и прикладных наук им.
Генри Самуэли Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе продемонстрировала, что физически прочная и химически стойкая сенсорная оболочка имеет высокий уровень точности и чувствительности для приложений легкого прикосновения — открытие двери, взаимодействие по телефону, рукопожатие, получение пакетов, обращение с предметами и т. д. Недавние эксперименты показали, что кожа может обнаруживать крошечные вибрации со скоростью 800 раз в секунду, лучше, чем человеческие пальцы.«Имитируя физиологию человека в гибкой электронной коже, мы достигли уровня чувствительности и точности, который соответствует человеческим рукам, что является важным прорывом», — сказал Познер. «Чувство осязания имеет решающее значение как для протезирования, так и для робототехники, и именно это мы в конечном итоге создаем».
Исследование финансировалось Национальным научным фондом.