باحثون يمنحون الإصبع الروبوتي القدرة على الشعور باللمس

قام باحثون في جامعة كولومبيا الهندسية بمنح إصبع روبوتي جديد القدرة على الشعور باللمس. يمكنه تحديد موقع اللمس بدقة عالية على أسطح منحنية متعددة. هذا التطور الجديد يقرب الروبوتات من تحقيق مستوى بشري.

ماتي سيوكارلي هو أستاذ مساعد في أقسام الهندسة الميكانيكية وعلوم الحاسوب. قاد سيوكارلي البحث بالتعاون مع أستاذ الهندسة الكهربائية إيوانيس (جون) كيميسيس.

“لقد كان هناك فجوة طويلة بين حساسات اللمس المستقلة والأصابع الروبوتية المجهزة بالكامل بحساسية اللمس – لا يزال الشعور باللمس بعيدًا عن الانتشار في التلاعب الروبوتي”، يقول سيوكارلي. “في هذه الورقة، قدمنا إصبعًا روبوتيًا منحنيًا متعددة مع تحديد موقع اللمس الدقيق واكتشاف القوة العادية على أسطح ثلاثية الأبعاد معقدة”.

الطرق الحالية المستخدمة لدمج حساسات اللمس في أصابع الروبوت تواجه العديد من التحديات. من الصعب تغطية الأسطح المنحنية المتعددة، وهناك عدد كبير من الأسلاك، وصعوبة وضع الحساسات في أطراف الأصابع الصغيرة، مما يمنع استخدامها في الأيدي الخبيرة. تجاوز فريق جامعة كولومبيا الهندسية هذه التحديات من خلال تطوير نهج جديد: استخدموا إشارات متداخلة من مصادر الضوء ومستقبلاتها المضمنة في طبقة موجهة شفافة تغطي المناطق الوظيفية للإصبع.

تمكن الفريق من الحصول على مجموعة بيانات الإشارات تتغير استجابةً لتشوه الإصبع بسبب اللمس. قاموا بذلك عن طريق قياس نقل الضوء بين كل مصدر ومستقبل. تم استخراج المعلومات المفيدة، مثل موقع الاتصال والقوة العادية المطبقة، من البيانات من خلال استخدام أساليب التعلم العميق القائمة على البيانات. تمكن الفريق من القيام بذلك دون استخدام النماذج التحليلية.

من خلال هذه الطريقة، طور فريق البحث إصبعًا روبوتيًا متكاملًا ومجهزًا بحساسات مع عدد أسلاك منخفض. تم بناؤه باستخدام طرق تصنيع متاحة ويمكن دمجه بسهولة في الأيدي الخبيرة.

نشرت الدراسة على الإنترنت في مجلة IEEE/ASME Transactions on Mechatronics.

كان الجزء الأول من المشروع استخدام الضوء لتحديد اللمس. هناك طبقة من السيليكون الشفاف تحت “الجلد” للإصبع، وأشع الفريق الضوء فيها من أكثر من 30 ديود发光. الإصبع也有 أكثر من 30 ديود光-electric التي تقوم بقياس كيفية تشتت الضوء. عندما يلمس الإصبع شيئًا ما، يتغير الجلد ويتحرك الضوء في الطبقة الشفافة تحت الجلد. يقوم الباحثون بقياس كمية الضوء التي تنتقل من كل ديود发光 إلى كل ديود光-electric لتحديد ما يقرب من 1000 إشارة. تحتوي كل إشارة على معلومات حول الاتصال.

“الإصبع البشري يوفر معلومات اتصال غنية جدًا – أكثر من 400 حساس لللمس في كل سنتيمتر مربع من الجلد!” يقول سيوكارلي. “كان ذلك النموذج الذي دفعنا لمحاولة الحصول على أكبر قدر ممكن من البيانات من إصبعنا. كان من المهم التأكد من تغطية جميع الاتصالات على جميع جوانب الإصبع – بنينا في الأساس إصبعًا روبوتيًا مجهزًا باللمس دون أي نقاط عمياء”.

كان الجزء الثاني من المشروع تصميم البيانات لتحليلها بواسطة خوارزميات التعلم الآلي. البيانات معقدة للغاية ولا يمكن تفسيرها بواسطة البشر. ومع ذلك، يمكن للتقنيات الحالية للتعلم الآلي تعلم استخراج المعلومات المحددة، مثل مكان لمس الإصبع، ما يلمس الإصبع، وكيفية تطبيق القوة.

“تظهر نتائجنا أن شبكة عصبونية عميقة يمكنها استخراج هذه المعلومات بدقة عالية”، يقول كيميسيس. “جهازنا في الواقع إصبع مجهز باللمس مصمم من البداية للاستخدام بالتزامن مع خوارزميات التعلم الآلي”.

صمم الفريق الإصبع أيضًا لاستخدامه على الأيدي الروبوتية. يمكن للإصبع جمع ما يقرب من 1000 إشارة، ولكنه يحتاج فقط إلى كابل من 14 سلكًا للاتصال باليد. لا توجد إلكترونيات معقدة مطلوبة لتشغيله.

يتم حاليًا دمج الفريق ليدان خبيرتان مع الأصابع، وسيبحثون في استخدام اليدين لتحديد القدرات التلاعبية الخبيرة.

“التلاعب الروبوتي الخبير مطلوب الآن في مجالات مثل التصنيع واللوجستيات، وهو واحد من التكنولوجيات التي، في الأجل الطويل، مطلوبة لتمكين المساعدة الروبوتية الشخصية في مجالات أخرى، مثل الرعاية الصحية أو مجالات الخدمة”، يقول سيوكارلي.