Investigadores le dan un sentido del tacto a un dedo robótico

Los investigadores de la Columbia Engineering han logrado dar un sentido del tacto a un dedo robótico recién desarrollado. Puede localizar el tacto con una precisión extremadamente alta sobre superficies multicurvadas grandes. El nuevo desarrollo acerca a la robótica un paso más a alcanzar un estatus similar al humano.

Matei Ciocarlie es profesor asociado en los departamentos de ingeniería mecánica e informática. Ciocarlie lideró la investigación en colaboración con el profesor de Ingeniería Eléctrica Ioannis (John) Kymissis.

“Ha habido una brecha entre sensores táctiles autónomos y dedos táctiles completamente integrados: la detección táctil todavía está lejos de ser ubicua en la manipulación robótica”, dice Ciocarlie. “En este artículo, hemos demostrado un dedo robótico multicurvado con localización de tacto precisa y detección de fuerza normal sobre superficies 3D complejas”.

Los métodos actuales que se utilizan para integrar sensores de tacto en dedos de robots enfrentan muchos desafíos. Es difícil cubrir superficies multicurvadas, hay una gran cantidad de cables y es difícil ajustar los sensores en las pequeñas yemas de los dedos, lo que impide su uso en manos diestras. El equipo de la Columbia Engineering sorteó estos desafíos desarrollando un nuevo enfoque: utilizar señales superpuestas de emisores y receptores de luz incrustados en una capa de guía de onda transparente que cubre las áreas funcionales del dedo.

El equipo logró obtener un conjunto de datos de señales que cambian en respuesta a la deformación del dedo debido al tacto. Lo hicieron midiendo el transporte de luz entre cada emisor y receptor. La información útil, como la ubicación del contacto y la fuerza normal aplicada, se extrajo de los datos mediante el uso de métodos de aprendizaje profundo basados en datos. El equipo pudo hacerlo sin el uso de modelos analíticos.

A través de este método, el equipo de investigación desarrolló un dedo robótico completamente integrado y sensorizado que tiene una baja cantidad de cables. Fue construido mediante el uso de métodos de fabricación accesibles y puede ser integrado fácilmente en manos diestras.

El estudio se publicó en línea en IEEE/ASME Transactions on Mechatronics.

La primera parte del proyecto fue el uso de la luz para detectar el tacto. Hay una capa de silicona transparente debajo de la “piel” del dedo, y el equipo iluminó hacia ella desde más de 30 LEDs. El dedo también tiene más de 30 fotodiodos que miden cómo la luz rebota alrededor. Tan pronto como el dedo entra en contacto con algo, la piel se deforma y la luz se mueve en la capa transparente debajo de la piel. Los investigadores miden entonces cuánta luz va desde cada LED a cada diodo para generar alrededor de 1.000 señales. Cada una de esas señales contiene información sobre el contacto realizado.

“El dedo humano proporciona información de contacto increíblemente rica: más de 400 pequeños sensores de tacto en cada centímetro cuadrado de piel”, dice Ciocarlie. “Ese fue el modelo que nos impulsó a intentar obtener la mayor cantidad de datos posible de nuestro dedo. Fue fundamental asegurarnos de que todos los contactos en todos los lados del dedo estuvieran cubiertos: básicamente, construimos un dedo robótico táctil sin puntos ciegos”.

La segunda parte del proyecto fue que el equipo diseñara los datos para ser procesados por algoritmos de aprendizaje automático. Los datos son extremadamente complejos y no pueden ser interpretados por humanos. Sin embargo, las técnicas de aprendizaje automático actuales pueden aprender a extraer información específica, como dónde se está tocando el dedo, qué está tocando el dedo y cuánta fuerza se está aplicando.

“Nuestros resultados muestran que una red neuronal profunda puede extraer esta información con una precisión muy alta”, dice Kymissis. “Nuestro dispositivo es verdaderamente un dedo táctil diseñado desde el principio para ser utilizado en conjunto con algoritmos de inteligencia artificial”.

El equipo también diseñó el dedo para que pueda ser utilizado en manos robóticas. El dedo puede recopilar casi 1.000 señales, pero solo requiere un cable de 14 hilos que lo conecta a la mano. No se requieren electrónicos complejos fuera de la placa para que funcione.

El equipo actualmente tiene dos manos diestras que se están integrando con los dedos, y buscarán utilizar las manos para demostrar habilidades de manipulación diestra.

“La manipulación robótica diestra es necesaria ahora en campos como la fabricación y la logística, y es una de las tecnologías que, a largo plazo, son necesarias para permitir la asistencia robótica personal en otras áreas, como la atención médica o los dominios de servicio”, dice Ciocarlie.