Американські інженери допомогли роботу відчути на дотик десять різних поверхонь за допомогою тактильних сенсорів із рідкого металу. Своїми чотирма пальцями маніпулятор проводив по поверхні, «ковзав» нею, і так міг визначити із 99-відсотковою точністю різні текстури. Причому він одночасно може ідентифікувати різні різними пальцями. Свою розробку вчені планують використовувати для покращення взаємодії роботів із середовищем та, можливо, для протезів рук. Стаття опублікована у журналі Sensors.
Florida Atlantic University / YouTube
Що дає роботам відчуття дотику?
Обрані нами (або роботами) стратегії взаємодії із навколишнім середовищам багато у чому залежать від відчуття дотику. Ми не стискатимемо якийсь предмет, якщо він здасться нам м'яким, та триматимемо його міцніше, якщо зрозуміємо, що він важкий. Так само і роботам було б корисно навчитися розумітися із середовищем «з першого дотику», де вони б могли порозумітися і з предметами, з якими мають працювати, і з людьми поруч. Але для інженерів передати відчуття дотику роботу є зовсім нетривіальною задачею. З одного боку, можна просто дати роботу більше можливостей у керуванні своїми руками, щоб вони не могли випадково пошкодити щось. Але з іншого, це дуже обмежує сфери, де такого робота можна застосувати — наприклад, медичному роботу простого вміння не нищити речі буде замало. Тому вчені схиляються до того, щоб навчити техніку таки розрізняти речі й так з'явилися тактильні сенсори.
Для розпізнавання текстури поверхні дуже важливо обрати відповідний тактильний датчик, який буде поєднуватися з алгоритмами машинного навчання для класифікації елементів поверхні. Серед різної сировини, що використовується дослідниками для виготовлення сенсорів, з часом концепція використання жорстких компонентів перейшла до повністю гнучких еластомерів. Вони сумісні з традиційними мікроелектромеханічними системами, але при цьому мають більше переваг в порівнянні з традиційними — вищу провідність, еластичність, гнучкість, пружність і розтяжність. Маніпулятор зі здатністю розпізнавати особливості поверхні об'єкту може стати набагато більш автономним, а подібні розробки можуть допомогти відновити порушене відчуття дотику людям, що використовують протези.
Чим робот торкався поверхонь?
Інженери розробили для маніпулятора чотири пальці, подушечки яких зробили з силікону та рідкого металу — сплаву галію та індію. Затим на них нанесли малюнок із металевих дротів довжиною у 0,75 сантиметра, закручених подібно відбиткам пальців. Рука була запрограмована притискати пальці до поверхонь та ковзати ними. Задум розробників полягав у тому, щоб робот розпізнавав текстури за спектральними компонентами сигналів, які надходили через подушечки. Алгоритм машинного навчання навчився на різних частотно-часових, специфічних для кожної текстури, сигнатурах, а потім порівнював свої дані із тим, що відчував робот, щоб допомогти йому розібратися із тим, чого він торкається. Спеціально для свого задуму вчені розробили десять різних поверхонь, у яких був один змінний параметр: відстань між гребенями від одного до чотирьох міліметрів. Для кожної з десяти поверхонь було зібрано 20 випробувань, щоб перевірити здатність алгоритмів машинного навчання розрізняти і випадково згенеровані.
Малюнок із рідкого металу, який забезпечував контакт із поверхнями. Moaed A. Abd et al. / Sensors, 2021
Як він їх розрізняв?
Таким чином роботу вдалося справитися із 99 відсотками створених для нього поверхонь, враховуючи, що тренувався він всього на чотирьох прикладах. Причому йому не обов'язково було торкатися усією «долонею» — він міг розрізняти поверхні і кожним окремим пальцем, причому різні різними та одночасно. На думку вчених, це яскравий приклад простої конструкції, що не вимагала довгого попереднього навчання і складних складових — роботу просто одягнули тактильні подушечки та показали, як ними користуватися. Це дасть змогу наділити тактильними відчуттями широкий діапазон маніпуляторів, а також показало потенціал подібної сенсорною конструкції. Дослідники зазначають, якщо знайти спосіб допомогти людям замінити звичні тактильні почуття на сприйняття поверхонь за сигналами від такого датчика, то їх можна буде використовувати і для здешевлення протезів. Хоча можливо, що користувач зможе навчитися безпосередньо інтерпретувати штучні відчуття дотику.
Це не перша новина, де ми розповідаємо, як вчених хвилюють тактильні відчуття. Наприклад, нещодавно ми писали про те, як імплантовані сенсори відновили тактильну чутливість пацюкам, а сенсори електронної шкіри замінили сонячними елементами, які ще й могли накопичувати для себе енергію. Більше про відчуття дотику у роботів можна почитати також у нашому огляді роботизованих відчуттів «Як роботи дивляться на світ, яке вино їм смакує та чому Ілон Маск знову проти всіх».