I ricercatori portano il senso del tatto a un dito robotico

I ricercatori della Columbia Engineering hanno portato il senso del tatto a un nuovo dito robotico sviluppato. È in grado di localizzare il tatto con precisione estremamente alta su larghe superfici multicurve. Il nuovo sviluppo porta la robotica un passo più vicino a raggiungere lo stato umano.

Matei Ciocarlie è professore associato nei dipartimenti di ingegneria meccanica e informatica. Ciocarlie ha guidato la ricerca in collaborazione con il professore di ingegneria elettrica Ioannis (John) Kymissis.

“C’è sempre stato un divario tra sensori tattili autonomi e dita tattili completamente integrate – la sensazione tattile è ancora lontana dall’essere onnipresente nella manipolazione robotica”, afferma Ciocarlie. “In questo articolo, abbiamo dimostrato un dito robotico multicurvo con localizzazione del tatto precisa e rilevamento della forza normale su superfici 3D complesse.”

I metodi attuali utilizzati per integrare sensori tattili nelle dita dei robot affrontano molte sfide. È difficile coprire superfici multicurve, c’è un alto numero di fili e difficoltà a inserire i sensori in piccole dita, il che impedisce l’uso in mani destre. Il team della Columbia Engineering ha superato queste sfide sviluppando un nuovo approccio: hanno utilizzato segnali sovrapposti da emettitori e ricevitori incorporati in uno strato di guida d’onda trasparente che copre le aree funzionali del dito.

Il team è riuscito a ottenere un set di dati di segnale che cambia in risposta alla deformazione del dito a causa del tatto. Ciò è stato possibile misurando il trasporto di luce tra ogni emettitore e ricevitore. Informazioni utili, come la posizione del contatto e la forza normale applicata, sono state quindi estratte dai dati attraverso l’uso di metodi di apprendimento profondo basati sui dati. Il team è riuscito a farlo senza l’uso di modelli analitici.

Attraverso questo metodo, il team di ricerca ha sviluppato un dito robotico completamente integrato e sensorizzato con un basso numero di fili. È stato costruito attraverso l’uso di metodi di produzione accessibili e può essere facilmente integrato in mani destre.

Lo studio è stato pubblicato online su IEEE/ASME Transactions on Mechatronics.

La prima parte del progetto è stata l’uso della luce per rilevare il tatto. C’è uno strato di silicone trasparente sotto la “pelle” del dito e il team ha fatto brillare la luce all’interno da più di 30 LED. Il dito ha anche oltre 30 fotodiodi responsabili della misurazione di come la luce si muove. Non appena il dito entra in contatto con qualcosa, la pelle si deforma e la luce si muove nello strato trasparente sotto la pelle. I ricercatori misurano quindi quanta luce va da ogni LED a ogni diodo per ottenere circa 1.000 segnali. Ognuno di questi segnali contiene informazioni sul contatto.

“Il dito umano fornisce informazioni di contatto incredibilmente ricche – più di 400 piccoli sensori tattili in ogni centimetro quadrato di pelle!” afferma Ciocarlie. “Questo è stato il modello che ci ha spinto a cercare di ottenere il più possibile dai nostri dati. È stato fondamentale assicurarsi che tutti i contatti su tutti i lati del dito fossero coperti – abbiamo essenzialmente costruito un dito robotico tattile senza punti ciechi.”

La seconda parte del progetto è stata la progettazione dei dati per essere elaborati da algoritmi di apprendimento automatico. I dati sono estremamente complessi e non possono essere interpretati dagli esseri umani. Tuttavia, le tecniche di apprendimento automatico attuali possono imparare a estrarre informazioni specifiche, come dove il dito viene toccato, cosa sta toccando il dito e quanta forza viene applicata.

“I nostri risultati mostrano che una rete neurale profonda può estrarre queste informazioni con precisione molto alta”, afferma Kymissis. “Il nostro dispositivo è veramente un dito tattile progettato fin dall’inizio per essere utilizzato in combinazione con algoritmi di intelligenza artificiale.”

Il team ha anche progettato il dito in modo che possa essere utilizzato su mani robotiche. Il dito può raccogliere quasi 1.000 segnali, ma richiede solo un cavo a 14 fili che lo collega alla mano. Non sono richieste elettroniche complesse esterne per il suo funzionamento.

Il team attualmente ha due mani destre che stanno integrando con le dita e cercheranno di utilizzare le mani per dimostrare capacità di manipolazione destre.

“La manipolazione robotica destre è necessaria ora in campi come la produzione e la logistica, e è una delle tecnologie che, nel lungo termine, sono necessarie per abilitare l’assistenza robotica personale in altri campi, come la sanità o i domini di servizio”, afferma Ciocarlie.