Pesquisadores Trazem Senso de Toque para Dedo Robótico

Pesquisadores da Columbia Engineering trouxeram um senso de toque para um dedo robótico recém-desenvolvido. Ele é capaz de localizar o toque com precisão extremamente alta sobre superfícies multicurvadas grandes. 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 há uma lacuna entre sensores táteis autônomos e dedos táteis totalmente integrados — a sensação 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 sobre superfícies 3D complexas.”

Os métodos atuais usados para integrar sensores de toque em dedos de robôs enfrentam muitos desafios. É difícil cobrir superfícies multicurvadas, há uma grande quantidade de fios e dificuldade em ajustar os sensores em pequenas pontas de dedos, o que impede o uso em mãos ágeis. A equipe da Columbia Engineering contornou esses desafios desenvolvendo uma nova abordagem: eles usaram sinais sobrepostos de emissores e receptores de luz que estão embutidos em uma camada de guia de onda transparente que cobre as áreas funcionais do dedo.

A equipe foi capaz de 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 baseados em dados. A equipe foi capaz de fazer isso sem o uso de modelos analíticos.

Por meio desse método, a equipe de pesquisa desenvolveu um dedo robótico totalmente integrado e sensorizado que tem uma baixa contagem de fios. Ele foi construído por meio do uso de métodos de fabricação acessíveis e pode ser facilmente integrado a mãos ágeis.

O estudo foi publicado online em IEEE/ASME Transactions on Mechatronics.

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 brilhou luz nela a partir de mais de 30 LEDs. O dedo também tem mais de 30 fotodiodos que são responsáveis por medir como a luz salta em torno. Assim que o dedo entra em contato com algo, a pele se deforma e a luz se move em torno da camada transparente sob a pele. Os pesquisadores então medem quanto luz vai de cada LED para cada diodo para virar cerca de 1.000 sinais. Cada um desses sinais contém informações sobre o contato feito.

“O dedo humano fornece informações de contato incrivelmente ricas — mais de 400 pequenos sensores de toque em cada centímetro quadrado de pele!” diz Ciocarlie. “Isso foi o modelo que nos impulsionou a tentar obter o máximo de dados possível do nosso dedo. Foi crítico garantir que todos os contatos em todos os lados do dedo estivessem cobertos — basicamente construímos um dedo robótico tátil sem pontos cegos.”

A segunda parte do projeto foi a equipe projetar os dados para 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 precisão muito alta”, diz Kymissis. “Nosso dispositivo é verdadeiramente um dedo tátil projetado desde o início para ser usado em conjunto com algoritmos de IA.”

A equipe também projetou o dedo para que ele possa ser usado em mãos robóticas. O dedo é capaz de coletar quase 1.000 sinais, mas ele requer apenas um cabo de 14 fios conectando-o à mão. Não há eletrônica complexa fora do quadro necessária para que ele funcione.

A equipe atualmente tem duas mãos ágeis que estão sendo integradas com os dedos, e eles buscarão usar as mãos para demonstrar habilidades de manipulação ágil.

“A manipulação robótica ágil é necessária agora em campos como manufatura e logística, e é uma das tecnologias que, no longo prazo, são necessárias para permitir assistência robótica pessoal em outras áreas, como saúde ou domínios de serviço”, diz Ciocarlie.