Совместная исследовательская группа под руководством Городского университета Гонконга (CityU) разработала новый мягкий тактильный датчик с характеристиками, сравнимыми с кожей. Роботизированный захват с датчиком, установленным на кончике пальца, может выполнять сложные задачи, такие как стабильный захват хрупких предметов и заправка нити в иглу. Их исследования позволили по-новому взглянуть на конструкцию тактильных датчиков и могут внести свой вклад в различные приложения в области робототехники, такие как интеллектуальное протезирование и взаимодействие человека с роботом.
Доктор Шэнь Яцзин, доцент кафедры биомедицинской инженерии (BME) CityU, был одним из соруководителей исследования. Результаты были недавно опубликованы в научном журнале Science Robotics под названием «Мягкая магнитная кожа для тактильного восприятия сверхвысокого разрешения с силовой саморазвязкой».
Имитация характеристик кожи человека
Основной характеристикой кожи человека является ее способность ощущать силу сдвига, то есть силу, которая заставляет два объекта скользить или скользить друг по другу при соприкосновении. Ощущая величину, направление и тонкое изменение силы сдвига, наша кожа может действовать как обратная связь и позволять нам регулировать, как мы должны стабильно удерживать объект руками и пальцами или насколько крепко мы должны его удерживать.
Чтобы имитировать эту важную особенность человеческой кожи, доктор Шен и доктор Пан Цзя, сотрудник Университета Гонконга (HKU), разработали новый мягкий тактильный датчик. Датчик имеет многослойную структуру, подобную человеческой коже, и включает в себя гибкую и специально намагниченную пленку толщиной около 0,5 мм в качестве верхнего слоя. Когда на него действует внешняя сила, он может обнаруживать изменение магнитного поля из-за деформации пленки. Что еще более важно, он может «разъединять» или разлагать внешнюю силу автоматически на две составляющие - нормальную силу (силу, приложенную перпендикулярно к объекту) и поперечную силу, обеспечивая точное измерение этих двух сил соответственно.
«Важно отделить внешнюю силу, потому что каждая составляющая силы имеет собственное влияние на объект. И необходимо знать точное значение каждой составляющей силы, чтобы анализировать или контролировать стационарное или движущееся состояние объекта», - объяснил Ян Юкан, доктор философии студент BME и первый автор статьи.
Роботизированный захват может устойчиво схватить яйцо, даже если экспериментатор попытался утащить его вниз. А когда экспериментатор прекращает тянуть, робот-захват может регулировать величину силы, чтобы не разбить яйцо. (Источник фильма: предоставлен командой доктора Шэня.
Повышенная точность глубокого обучения
Более того, сенсор обладает еще одной характеристикой, напоминающей кожу человека, - тактильным «сверхразрешением», которое позволяет ему определять местоположение стимула с максимальной точностью. «Мы разработали эффективный алгоритм тактильного сверхвысокого разрешения с использованием глубокого обучения и достигли 60-кратного повышения точности локализации положения контакта, что является лучшим среди методов сверхвысокого разрешения, о которых сообщалось до сих пор», - сказал д-р Шен. Такой эффективный тактильный алгоритм сверхвысокого разрешения может помочь улучшить физическое разрешение массива тактильных датчиков с наименьшим количеством сенсорных блоков, тем самым уменьшая количество проводов и время, необходимое для передачи сигнала.
«Насколько нам известно, это первый тактильный датчик, который одновременно достиг саморазвязки и сверхвысокого разрешения», - добавил он.
Роботизированная рука с новым датчиком выполняет сложные задачи
Установив датчик на кончике робота-захвата, команда продемонстрировала, что роботы могут выполнять сложные задачи. Например, роботизированный захват стабильно хватал хрупкие предметы, такие как яйцо, в то время как внешняя сила пыталась оттащить его, или протыкала иглу через дистанционное управление. «Сверхвысокое разрешение нашего датчика помогает роботизированной руке регулировать положение контакта, когда она захватывает объект. А роботизированная рука может регулировать величину силы в зависимости от способности тактильного датчика к силовой развязке», - пояснил доктор Шен.
Он добавил, что в будущем датчик можно легко расширить до матрицы датчиков или даже в виде непрерывной электронной оболочки, которая будет покрывать все тело робота. Чувствительность и диапазон измерения датчика можно регулировать, изменяя направление намагничивания верхнего слоя (магнитной пленки) датчика без изменения толщины датчика. Это позволило электронной коже иметь различную чувствительность и диапазон измерения в разных частях, как и человеческая кожа.
Кроме того, процесс изготовления и калибровки датчика намного короче по сравнению с другими тактильными датчиками, что упрощает его практическое применение.
«Этот предлагаемый датчик может быть полезен для различных приложений в области робототехники, таких как адаптивный захват, ловкие манипуляции, распознавание текстуры, интеллектуальное протезирование и взаимодействие человека и робота. Развитие мягких искусственных тактильных датчиков с характеристиками, сравнимыми с кожей, может сделать домашних роботов стать частью нашей повседневной жизни », - заключил д-р Шен.