Naukowcy stworzyli elektroniczną rękawicę wyposażoną w czujniki, naśladującą działanie ludzkiej skóry. Rękawice pomagają osiągnąć poziom ludzkiej zręczności w manipulatorach robotów.
Inżynierowie ze Stanford opracowali elektroniczną rękawicę wyposażoną w czujniki, która pewnego dnia może zapewnić robotom manualną sprawność, która dla ludzi jest czymś oczywistym. Inżynier chemik Zhenan Bao i jej zespół zademonstrowali poprawność działania czujników, wystarczającą do manipulowania delikatnym owocem jagody oraz trzymania piłeczki do ping-ponga bez jej uszkodzenia.
– Technologia ta sprawi, że roboty będą mieć zmysł dotyku zarezerwowany dotąd dla ludzi – twierdzi Zhenan Bao. Dodaje, że czujniki w opuszkach rękawicy jednocześnie mierzą intensywność i kierunek przyłożonego nacisku. Te dwie wartości są niezbędne do osiągnięcia manualnej zręczności. Badacze wciąż muszą dopracować technologię tak, aby rękawice były automatycznie sterowane.
Gdy tego dokonają, robot wyposażony w taką rękawicę będzie na tyle zręczny, że możliwe będzie trzymanie kurzego jajka między kciukiem a palcem wskazującym bez uszkodzenia go lub upuszczenia.
Elektronika imitująca żywe organizmy
Elektroniczna rękawica imituje warstwy ludzkiej skóry, zapewniając niezwykle wysoki poziom czułości. Zewnętrzna warstwa ludzkiej skóry zawiera czujniki ciśnienia, temperatury oraz innych bodźców. Palce i dłonie są niezwykle bogate w czujniki dotyku. Czujniki te pracują w połączeniu z warstwą podskórną, zwaną warstwą kolczystą naskórka, w powiększeniu przypominającą górzysty teren pełen występków, dolin i górek.
Ta nieregularność profilu powierzchni jest bardzo ważna. Gdy palec dotyka obiektu, zewnętrzna warstwa skóry zbliża się do warstwy kolczystej naskórka. Lekki nacisk jest rejestrowany głównie przez receptory znajdujące się na szczycie wzniesień. Mocniejszy nacisk wymusza ruch zewnętrznej warstwy w kierunku niższej, aktywując receptory znajdujące się głębiej w warstwie kolczystej naskórka, generując mocniejsze odczucie dotyku.
Pomiar poziomu nacisku to tylko część z funkcji pełnionych przez warstwę kolczystą naskórka. Warstwa ta pomaga również w wyczuwaniu kierunku nacisku i sił ścinających. Palec naciskany od przodu aktywuje sygnały z receptorów znajdujących się na tylnych zboczach mikroskopowych występków. To właśnie owa zdolność do wyczuwania sił ścinających pozwala nam delikatnie, lecz pewnie, trzymać kurze jajko między kciukiem a palcem wskazującym.
Stypendystka studiów podoktoranckich Clementine Boutry oraz student Marc Negre prowadzili projekt mający na celu rozwój czujników elektronicznych naśladujących mechanizmy ludzkiej skóry. Każdy z czujników znajdujących się na opuszkach rękawicy składa się z trzech elastycznych warstw współpracujących ze sobą. Górna i dolna warstwa to warstwy aktywne. Badacze stworzyli siatkę linii przewodzących na każdej z dwóch powierzchni przypominających rowy na polu uprawnym, po czym obrócili powierzchnię tak, aby linie ustawione były pod kątem prostym, tworząc gęstą siatkę czujników w kształcie pikseli. Poniższa warstwa jest również nierówna, podobnie jak warstwa kolczysta naskórka. Środkowa warstwa izolująca dba o odległość między dwoma zewnętrznymi warstwami elektrod. Oddzielenie warstw jest bardzo ważne, ponieważ elektrody znajdujące się blisko siebie mają zdolność gromadzenia energii elektrycznej. Jeśli palec robota zostanie naciśnięty, przesuwając warstwę zewnętrzną elektrody w kierunku niższej warstwy, ilość zgromadzonej energii wzrasta. Pagórki i dołki niższej warstwy sprawiają, że możliwe jest rozróżnienie wartości i kierunku przyłożonej do siatki czujników siły, zupełnie jak ma to miejsce w naszej skórze.
Roboty i ich delikatny dotyk
Aby przetestować rozwiązanie, badacze umieścili trójwarstwowy czujnik na opuszkach palców gumowej rękawicy, a rękawicę na sztucznej dłoni robota. Docelowo czujniki umieszczone będą w przypominającej skórę powłoce pokrywającej element wykonawczy robota. W jednym z eksperymentów naukowcy zaprogramowali robota wyposażonego w rękawicę tak, że możliwe było dotykanie jagody bez jej miażdżenia. Zaprogramowali także ruch podnoszenia i opuszczania piłeczki ping-pongowej bez jej uszkodzenia. Czujniki są niezbędne do określenia siły ściskającej potrzebnej do pewnego chwycenia piłki.
Zhenan Bao twierdzi, że odpowiednio zaprogramowana ręka robota, wyposażona w omawianą rękawicę z czujnikami nacisku, może wykonywać powtarzalne czynności, takie jak podnoszenie kurzych jajek z podnośnika i wkładanie ich do kartonu. Technologia może również znaleźć zastosowanie w branży medycznej przy wspomaganiu zabiegów chirurgicznych za pomocą robotów, gdzie precyzyjny i dokładny dotyk to podstawa. Celem Zhenan Bao jest stworzenie zaawansowanej wersji rękawicy, która sama będzie w stanie określić odpowiednią siłę niezbędną do bezpiecznej manipulacji obiektem, bez potrzeby programowania robota przez człowieka.
– Możemy zaprogramować rękę robota tak, by potrafił on dotknąć jagodę bez jej uszkodzenia, lecz jesteśmy jeszcze daleko od stworzenia robota, który posiada możliwość rozpoznania przez dotyk, czy jest to jagoda, i zerwania jej.
Tom Abate, Stanford University.