Cercetătorii aduc senzația de atingere la un deget robotic

Cercetătorii de la Columbia Engineering au adus senzația de atingere la un deget robotic nou dezvoltat. Acesta este capabil să localizeze atingerea cu o precizie extrem de ridicată pe suprafețe mari și multicurbe. Noua dezvoltare aduce robotica cu un pas mai aproape de a atinge statutul uman.

Matei Ciocarlie este profesor asociat în departamentele de inginerie mecanică și știința calculatoarelor. Ciocarlie a condus cercetarea în colaborare cu profesorul de inginerie electrică Ioannis (John) Kymissis.

“A existat întotdeauna o lacună între senzorii tactili independenți și degetele robotice complet integrate – senzorii tactili sunt încă departe de a fi ubiquiti în manipularea robotică”, spune Ciocarlie. “În acest articol, am demonstrat un deget robotic multicurv cu localizare precisă a atingerii și detectare a forței normale pe suprafețe 3D complexe.”

Metodele actuale utilizate pentru a integra senzorii de atingere în degetele robotice se confruntă cu multe provocări. Este dificil să se acopere suprafețele multicurve, există un număr ridicat de fire și dificultăți în a încadra senzorii în vârfurile degetelor mici, ceea ce împiedică utilizarea în mâini dextre. Echipa de la Columbia Engineering a ocolit aceste provocări prin dezvoltarea unei abordări noi: au utilizat semnale suprapuse de la emițători și receptori încorporați într-un strat de ghidare a undelor transparent care acoperă zonele funcționale ale degetului.

Echipa a reușit să obțină un set de date care se schimbă în funcție de deformarea degetului datorită atingerii. Acest lucru a fost realizat prin măsurarea transportului de lumină între fiecare emițător și receptor. Informații utile, cum ar fi locația contactului și forța normală aplicată, au fost extrase din date prin utilizarea metodelor de învățare profundă bazate pe date. Echipa a reușit să facă acest lucru fără a utiliza modele analitice.

Prin această metodă, echipa de cercetare a dezvoltat un deget robotic complet integrat, senzorizat, care are un număr scăzut de fire. Acesta a fost construit prin utilizarea metodelor de fabricație accesibile și poate fi integrat ușor în mâini dextre.

Studiul a fost publicat online în IEEE/ASME Transactions on Mechatronics.

Prima parte a proiectului a constat în utilizarea luminii pentru a simți atingerea. Există un strat de siliciu transparent sub “pielea” degetului, iar echipa a direcționat lumina în el de la peste 30 de LED-uri. Degetul are, de asemenea, peste 30 de fotodioade care măsoară cum lumina se reflectă. În momentul în care degetul vine în contact cu ceva, pielea se deformează și lumina se mișcă în stratul transparent de sub piele. Cercetătorii măsoară apoi câtă lumină trece de la fiecare LED la fiecare diodă pentru a obține aproximativ 1.000 de semnale. Fiecare semnal conține informații despre contactul realizat.

“Degetul uman oferă informații de contact incredibil de bogate – mai mult de 400 de senzori mici de atingere în fiecare centimetru pătrat de piele!” spune Ciocarlie. “Acesta a fost modelul care ne-a împins să încercăm să obținem cât mai multe date posibile de la degetul nostru. A fost esențial să ne asigurăm că toate contactele de pe toate părțile degetului sunt acoperite – am construit, în esență, un deget robotic tactil fără puncte oarbe.”

A doua parte a proiectului a constat în proiectarea datelor pentru a fi procesate de algoritmii de învățare automată. Datele sunt extrem de complexe și nu pot fi interpretate de oameni. Cu toate acestea, tehnicile actuale de învățare automată pot învăța să extragă informații specifice, cum ar fi unde este atins degetul, ce atinge degetul și ce forță este aplicată.

“Rezultatele noastre arată că o rețea neurală profundă poate extrage aceste informații cu o precizie foarte ridicată”, spune Kymissis. “Dispozitivul nostru este, într-adevăr, un deget tactic proiectat din start pentru a fi utilizat în conjuncție cu algoritmii de inteligență artificială.”

Echipa a proiectat, de asemenea, degetul astfel încât să poată fi utilizat pe mâini robotice. Degetul poate colecta aproape 1.000 de semnale, dar necesită doar un cablu cu 14 fire care îl conectează la mână. Nu sunt necesare electronice complexe off-board pentru a funcționa.

Echipa are, în prezent, două mâini dextre care sunt integrate cu degetele și vor încerca să utilizeze mâinile pentru a demonstra abilitățile de manipulare dexteră.

“Manipularea robotică dexteră este necesară în prezent în domenii precum producția și logistica și este una dintre tehnologiile care, pe termen lung, sunt necesare pentru a permite asistența robotică personală în alte domenii, cum ar fi îngrijirea sănătății sau domeniile de servicii”, spune Ciocarlie.