Pesquisadores trazem sensação de toque para dedo robótico

Pesquisadores da Columbia Engineering trouxeram uma sensação de toque para um dedo robótico recém-desenvolvido. Ele é capaz de localizar o toque com precisão extremamente alta em superfícies grandes e multicurvadas. O novo desenvolvimento coloca a robótica um passo mais perto de alcançar o status humano. 

Matei Ciocarlie é professor associado nos departamentos de engenharia mecânica e ciência da computação. Ciocarlie liderou a pesquisa em colaboração com o professor de engenharia elétrica Ioannis (John) Kymissis. 

“Há muito tempo existe uma lacuna entre sensores táteis autônomos e dedos táteis totalmente integrados – a detecção tátil ainda está longe de ser onipresente na manipulação robótica”, diz Ciocarlie. “Neste artigo, demonstramos um dedo robótico multicurvo com localização de toque precisa e detecção de força normal em superfícies 3D complexas”.

Os métodos atuais usados ​​para integrar sensores de toque nos dedos do robô enfrentam muitos desafios. É difícil cobrir superfícies multicurvadas, há uma alta contagem de fios e dificuldade de encaixar os sensores nas pontas dos dedos pequenos, o que impede o uso em mãos hábeis. A equipe da Columbia Engineering superou esses desafios desenvolvendo uma nova abordagem: eles usaram sinais sobrepostos de emissores e receptores de luz embutidos em uma camada de guia de onda transparente que cobre as áreas funcionais do dedo. 

A equipe conseguiu obter um conjunto de dados de sinal que muda em resposta à deformação do dedo devido ao toque. Eles fizeram isso medindo o transporte de luz entre cada emissor e receptor. Informações úteis, como localização de contato e força normal aplicada, foram então extraídas dos dados por meio do uso de métodos de aprendizado profundo orientados a dados. A equipe conseguiu fazer isso sem o uso de modelos analíticos. 

Por meio desse método, a equipe de pesquisa desenvolveu um dedo robótico totalmente integrado e sensorizado, com baixa contagem de fios. Foi construído através do uso de métodos de fabricação acessíveis e pode ser facilmente integrado em mãos hábeis. 

O estudo foi publicado online no Transações IEEE / ASME em mecatrônica. 

A primeira parte do projeto foi o uso da luz para sentir o toque. Há uma camada de silicone transparente sob a “pele” do dedo, e a equipe iluminou-a com mais de 30 LEDs. O dedo também possui mais de 30 fotodiodos que são responsáveis ​​por medir como a luz é refletida. Assim que o dedo entra em contato com algo, a pele se deforma e a luz se move na camada transparente abaixo da pele. Os pesquisadores então medem quanta luz vai de cada LED para cada diodo para chegar a cerca de 1,000 sinais. Cada um desses sinais contém informações sobre o contato realizado.

“O dedo humano fornece informações de contato incrivelmente ricas - mais de 400 minúsculos sensores de toque em cada centímetro quadrado de pele!” diz Ciocarlie. “Esse foi o modelo que nos levou a tentar obter o máximo de dados possível de nosso dedo. Era fundamental ter certeza de que todos os contatos de todos os lados do dedo estavam cobertos - essencialmente, construímos um dedo robô tátil sem pontos cegos. ”

A segunda parte do projeto foi a equipe projetando os dados a serem processados ​​por algoritmos de aprendizado de máquina. Os dados são extremamente complexos e não podem ser interpretados por humanos. No entanto, as técnicas atuais de aprendizado de máquina podem aprender a extrair informações específicas, como onde o dedo está sendo tocado, o que está tocando o dedo e quanta força está sendo aplicada. 

“Nossos resultados mostram que uma rede neural profunda pode extrair essas informações com uma precisão muito alta”, diz Kymissis. “Nosso dispositivo é realmente um dedo tátil projetado desde o início para ser usado em conjunto com algoritmos de IA.”

A equipe também projetou o dedo para que possa ser usado em mãos robóticas. O dedo é capaz de coletar quase 1,000 sinais, mas requer apenas um cabo de 14 fios conectando-o à mão. Também não há componentes eletrônicos off-board complexos necessários para que funcione. 

A equipe atualmente tem duas mãos hábeis que estão sendo integradas aos dedos, e eles procurarão usar as mãos para demonstrar habilidades de manipulação hábeis.

“A manipulação robótica hábil é necessária agora em áreas como manufatura e logística, e é uma das tecnologias que, a longo prazo, são necessárias para permitir a assistência robótica pessoal em outras áreas, como saúde ou domínios de serviços”, diz Ciocarlie.