นักวิจัยนำสัมผัสมาให้ปลายนิ้วหุ่นยนต์

นักวิจัยที่ Columbia Engineering ได้นำสัมผัสมาให้ปลายนิ้วหุ่นยนต์ที่พัฒนาขึ้นใหม่ โดยสามารถระบุตำแหน่งสัมผัสได้ด้วยความแม่นยำสูงมากบนพื้นผิวที่มีความโค้งหลายมิติ การพัฒนานี้ทำให้หุ่นยนต์ใกล้เคียงกับการมีสถานะคล้ายมนุษย์มากขึ้น

Matei Ciocarlie เป็นรองศาสตราจารย์ในภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกลและวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์ Ciocarlie นำการวิจัยร่วมกับ Ioannis (John) Kymissis ศาสตราจารย์ภาควิชาวิศวกรรมไฟฟ้า

“มีช่องว่างระหว่างเซ็นเซอร์สัมผัสแบบยืนเดี่ยวและนิ้วหุ่นยนต์ที่มีการติดตั้งเซ็นเซอร์สัมผัสแบบครบวงจร — การสัมผัสยังคงไม่แพร่หลายในหุ่นยนต์” Ciocarlie กล่าว “ในงานวิจัยนี้ เราได้แสดงให้เห็นถึงนิ้วหุ่นยนต์ที่มีความโค้งหลายมิติพร้อมการระบุตำแหน่งสัมผัสและตรวจจับแรงปกติได้แม่นยำบนพื้นผิว 3D ที่ซับซ้อน”

วิธีการปัจจุบันที่ใช้ในการติดตั้งเซ็นเซอร์สัมผัสเข้ากับนิ้วหุ่นยนต์เผชิญกับความท้าทายหลายอย่าง เช่น การครอบคลุมพื้นผิวที่มีความโค้งหลายมิติ, มีสายหลายเส้น, และความยากในการใส่เซ็นเซอร์เข้าไปในปลายนิ้วที่เล็ก ซึ่งทำให้ไม่สามารถใช้ในมือหุ่นยนต์ที่มีความคล่องตัวได้ ทีมนักวิจัยจาก Columbia Engineering ได้หาวิธีแก้ไขความท้าทายเหล่านี้โดยพัฒนาวิธีการใหม่: โดยใช้สัญญาณที่ทับซ้อนกันจากตัวส่งและตัวรับสัญญาณแสงซึ่งฝังอยู่ในชั้นเวฟไกด์ที่โปร่งใสที่ครอบคลุมพื้นที่การทำงานของนิ้ว

ทีมวิจัยสามารถรับชุดข้อมูลสัญญาณที่เปลี่ยนแปลงตามการเปลี่ยนแปลงรูปทรงของนิ้วเนื่องจากการสัมผัส โดยการวัดการถ่ายโอนแสงระหว่างตัวส่งและตัวรับสัญญาณทุกจุด ข้อมูลที่มีประโยชน์ เช่น ตำแหน่งการสัมผัสและแรงปกติที่ใช้, ถูกดึงออกมาจากข้อมูลโดยใช้วิธีการเรียนรู้เชิงลึกแบบขับเคลื่อนด้วยข้อมูล ทีมวิจัยสามารถทำได้โดยไม่ต้องใช้แบบจำลองการวิเคราะห์

โดยใช้วิธีนี้ ทีมวิจัยได้พัฒนานิ้วหุ่นยนต์ที่มีการติดตั้งเซ็นเซอร์แบบครบวงจรและมีสายเพียงเล็กน้อย ซึ่งสร้างขึ้นโดยใช้วิธีการผลิตที่สามารถเข้าถึงได้และสามารถรวมเข้ากับมือหุ่นยนต์ที่มีความคล่องตัวได้ง่าย

การวิจัยนี้ได้รับการตีพิมพ์ออนไลน์ใน IEEE/ASME Transactions on Mechatronics

ส่วนแรกของโครงการคือการใช้แสงเพื่อรับสัมผัส มีชั้นซิลิโคนโปร่งใสอยู่ใต้ “ผิว” ของนิ้ว และทีมวิจัยส่องแสงเข้าไปในนั้นจาก LED มากกว่า 30 ตัว นิ้วยังมีโฟโตไดโอดมากกว่า 30 ตัวที่รับผิดชอบในการวัดว่าแสงกระจายไปรอบๆ อย่างไร เมื่อนิ้วสัมผัสกับสิ่งใดสิ่งหนึ่ง ผิวจะเปลี่ยนรูปและแสงจะเคลื่อนไปในชั้นโปร่งใสใต้ผิว ทีมวิจัยวัดว่าแสงจาก LED แต่ละตัวไปถึงโฟโตไดโอดแต่ละตัวเพื่อให้ได้สัญญาณประมาณ 1,000 สัญญาณ ซึ่งแต่ละสัญญาณมีข้อมูลเกี่ยวกับการสัมผัส

“นิ้วของมนุษย์มีข้อมูลการสัมผัสที่มีรายละเอียดมาก — มีเซ็นเซอร์สัมผัสขนาดเล็กกว่า 400 ตัวในพื้นที่ 1 ตารางเซนติเมตรของผิว!” Ciocarlie กล่าว “นั่นเป็นตัวอย่างที่ผลักดันให้เราพยายามรับข้อมูลให้ได้มากที่สุดจากนิ้วของเรา มันสำคัญที่จะต้องแน่ใจว่าทุกการสัมผัสที่ด้านใดด้านหนึ่งของนิ้วถูกครอบคลุม — เราแทบจะสร้างนิ้วหุ่นยนต์ที่มีการสัมผัสโดยไม่มีจุดบอด”

ส่วน第二ของโครงการคือทีมออกแบบข้อมูลให้สามารถประมวลผลโดยอัลกอริทึมการเรียนรู้ของเครื่อง ข้อมูลมีความซับซ้อนมากและไม่สามารถตีความได้ด้วยมนุษย์ แต่เทคนิคการเรียนรู้ของเครื่องในปัจจุบันสามารถเรียนรู้ที่จะดึงข้อมูลเฉพาะ เช่น ตำแหน่งที่นิ้วถูกสัมผัส, สิ่งที่สัมผัสกับนิ้ว, และแรงที่ใช้

“ผลลัพธ์ของเราแสดงให้เห็นว่าเครือข่ายประสาทเทียมสามารถดึงข้อมูลนี้ออกมาได้ด้วยความแม่นยำสูง” Kymissis กล่าว “อุปกรณ์ของเราจริงๆ แล้วเป็นนิ้วสัมผัสที่ออกแบบมาเพื่อใช้ร่วมกับอัลกอริทึม AI ตั้งแต่แรก”

ทีมวิจัยยังออกแบบนิ้วให้สามารถใช้กับมือหุ่นยนต์ได้ นิ้วสามารถรวบรวมสัญญาณเกือบ 1,000 สัญญาณ แต่ต้องการสายเพียง 1 สายที่มี 14 สายเชื่อมต่อกับมือ ไม่ต้องใช้อิเล็กทรอนิกส์ภายนอกที่ซับซ้อนในการทำงาน

ทีมวิจัยปัจจุบันมีมือหุ่นยนต์ 2 มือที่กำลังถูกติดตั้งนิ้ว และพวกเขาจะพยายามใช้มือเหล่านี้เพื่อแสดงความสามารถในการจัดการที่มีความคล่องตัว

“การควบคุมหุ่นยนต์ที่มีความคล่องตัวจำเป็นต้องใช้ในปัจจุบันในด้านการผลิตและลอจิสติกส์ และเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่ในระยะยาวจำเป็นต้องใช้เพื่อเปิดใช้งานการช่วยเหลือหุ่นยนต์ส่วนบุคคลในด้านอื่นๆ เช่น ด้านสุขภาพหรือด้านบริการ” Ciocarlie กล่าว