Учёные Кембриджского университета (Великобритания) построили роботизированный манипулятор, который отличает повышенная чувствительность на «кончиках пальцев». Это позволяет машине считывать символы шрифта Брайля вдвое быстрее, чем это делает человек. Эта разработка поможет роботам надёжнее удерживать предметы, а протезы получат полноценное осязание.

Источник изображения: youtube.com/@cambridgeuniversity

Кончики пальцев человека невероятно чувствительны — мы можем описать текстуру объекта с элементами в половину толщины человеческого волоса. Это помогает правильно рассчитывать усилие, чтобы ухватить яйцо или, скажем, тяжёлый мешок. По мере того как роботизированные системы становятся всё более похожими на части тела человека, возрастает потребность в их взаимодействии с различными предметами. Воспроизвести чувствительность на кончиках пальцев оказалось невероятно сложно, но выход нашли учёные Кембриджского университета, создавшие тактильные датчики на основе визуальной информации с её обработкой алгоритмами искусственного интеллекта.

Исследователи поставили задачу построить достаточно чувствительный сенсор, который мог бы читать шрифт Брайля. Причём он должен делать это не по одному символу, как традиционные сканеры, а перемещаться по ним, как это делает человек — в случае оптической системы это дало бы эффект размытия. Для обучения ИИ они воспользовались массивом статических изображений символов шрифта Брайля, применив в ним эффект размытия, созданный искусственно. В результате робот получил возможность читать тексты со скоростью 315 слов в минуту с точностью 87,5 %, что вдвое превышает скорость чтения человека, который демонстрирует примерно ту же точность. Исследователи говорят, что этот подход можно масштабировать, используя при обучении более объёмные массивы данных, что позволит нарастить производительность будущих систем.

На практике это позволит создавать роботизированные конечности и протезы с чувствительностью как у человеческих кончиков пальцев. В перспективе авторы проекта планируют увеличить систему до размеров руки человека или даже создать способную к осязанию кожу для человекоподобного робота.

Кожа — не только защитный барьер для внутренних органов, но и ценный инструмент нервной системы для восприятия внешнего мира. Люди, перенёсшие тяжёлые ожоги, ампутации или другие травмы, утрачивают осязание и теряют тактильную чувствительность. Группа исследователей из Стэнфордского университета создала «электронную кожу», имитирующую настоящую. Эта технология может помочь восстановить тактильные ощущения людям, утратившим осязание.

Источник изображений: Stanford University

«Электронная кожа» похожа на сверхтонкую наклейку. Один лист прозрачной плёнки состоит из гибкой интегральной микросхемы с 5-вольтовым питанием. Трёхслойная структура «электронной кожи» является диэлектрической, каждый слой содержит органические наноструктуры, которые могут быть спроектированы индивидуально для восприятия различных сенсорных сигналов: в то время как один может определять температуру, другой помогает пользователю ощущать давление. Каждый слой имеет толщину менее микрона. Для повышения долговечности «электронная кожа» крепится на гибкую подложку, толщина которой сопоставима с толщиной внешнего слоя человеческой кожи.

В эксперименте на лабораторных крысах исследователи стимулировали «электронную кожу», используя компьютер для наблюдения за нервными реакциями. Применение давления или тепла к коже вызывало ответную реакцию в виде подёргивания конечностей и возбуждение нервов, доказав, что технология на самом деле обеспечивает осязание. «Электронную кожу» можно многократно сгибать и растягивать, не разрывая и не боясь повредить.

«Электронная кожа» может когда-нибудь вернуть сенсорные способности людям с утраченным осязанием. Её также можно интегрировать в протезы, что повысило бы мобильность пользователя и позволило чувствовать обратную тактильную связь. К сожалению, «электронная кожа» сделана из органических материалов и в настоящее время обладает малым сроком службы. Кроме того, пока она способна улавливать только колебания давления и температуры, так что учёным ещё предстоит много работы.

Группа китайских учёных с успехом имитировала механизм человеческого осязания и построила роботизированный палец, способный изучать на ощупь как внешнюю текстуру объектов, так и их структуру в более глубоких слоях.

Источник изображения: cell.com

Учёные напомнили, что человеческие пальцы обладают крайне тонким многослойным осязанием — человек может чувствовать не только текстуру кожи, но и очертания расположенных под ней костей. Разработанная китайскими инженерами система предлагает подобный подход для роботов. Существующие тактильные сенсоры, напомнили китайские исследователи, позволяют распознавать и различать только поверхностные проявления: текстуру и твёрдость, но они не воспринимают информацию о формах под поверхностью объектов — для этого требуется нечто серьёзнее вроде МРТ или ультразвука.

Когда человек касается предмета пальцем, кожа испытывает механическую деформацию, сжатие или растяжение — обработка массива данных с рецепторов помогает мозгу восстанавливать целостную картину. Она включает в себя текстуру поверхности, её жёсткость или мягкость, а также форму образования под поверхностью. Авторы проекта попытались сымитировать этот механизм, закрепив металлический стержень на пучках углеволокна — такой палец «сканирует» объект, прилагая давление к разным его участкам и собирая данные о показателях жёсткости или мягкости объекта на разных его участках. Собранная информация поступает на компьютер, который строит на её основе трёхмерную карту.

Система успешно описала несколько жёстких объектов под слоем мягкого силикона и справилась с заданием посложнее — напечатанной на 3D-принтере моделью человеческого тела. Сканер построил карту не только «костей», но и «кровеносных сосудов», которые располагались под слоем «мышц». Кроме того, система просканировала неисправный электронный компонент, указав на место разрыва цепи у отверстия, которое просверлили в неверном месте — внешний слой для этого повреждать не пришлось.