Чтобы научить роботов обращаться с мягкими или хрупкими предметами необходимо наделить их тактильной чувствительностью, сопоставимой с таковой у пальцев человека. Как правило, для этого используются механические датчики, которые регистрируют контакт с поверхностью и силу нажатия. Но такие системы жёсткие и занимают много места.
Поэтому учёные давно разрабатывают мягкие чувствительные датчики, которые могут располагаться внутри роботов или в искусственной коже.
Новая роботизированная рука Gentle Bot, созданная инженерами из Корнеллского университета во главе с Робертом Шепердом (Robert Shepherd), имеет мягкие силиконовые пальцы. Главное отличие новинки от аналогов: эластичные оптические волокна, которые выполняют функцию чувствительных сенсоров. Роборука может держать кружку кофе, аккуратно поднять спелый помидор или пожать вам руку, так сказать, без нанесения телесных повреждений.
"У большинства современных роботов датчики для обнаружения предметов расположены на внешней стороне корпуса, – объясняет в пресс-релизе ведущий автор работы Хойчань Чжао (Huichan Zhao). – Наши сенсоры интегрированы внутрь руки, так что они действительно могут чувствовать давление, передаваемое через пальцы робота, так же как это делаем мы и другие живые организмы, например, когда чувствуем боль".
На самом деле идея использования оптических волноводов в качестве самых разнообразных сенсоров появилась ещё в 70-х годах прошлого века. Но тогда процесс производства гибких каналов для направленной передачи волн был слишком сложен. Всё изменилось с появлением доступных технологий мягкой литографии и трёхмерной печати.
В частности метод мягкой литографии (soft litography), который использует команда Шеперда, позволяет штамповать объёмные эластичные структуры в нанометровом масштабе. С его помощью учёные создали волновод, который состоит из проводящего свет внутреннего канала и внешней оболочки. На одном конце кабеля установлен светодиод. Его свет проходит по волноводу и попадает на фотодиод.
Любая деформация пальцев механической руки приводит к искривлению гибких волноводов и потере проходящего по ним света. Эти изменения сразу регистрируются фотодиодом и передаются на компьютер. Программа знает стандартное снижение интенсивности света при сгибании пальцев и если в это время появились дополнительные потери, значит, рука к чему-то прикоснулась.
Шеперд и его коллеги продемонстрировали способности системы, предложив Gentle Bot выбрать из трёх помидоров самый спелый. Рука аккуратно надавила на каждый плод и с лёгкостью нашла наиболее мягкий. Помимо этого пальцы робота могут определять форму объекта и его текстуру.
Однако у новой роботизированной руки есть и свои недостатки. Например, на данном этапе система не может определить, в какой точке произошло касание. Для этого понадобится установить внутри пальцев большое количество более сложных датчиков. Исследователи планируют изготавливать такие сенсоры на 3D-принтере.
Как бы то ни было технология имеет массу потенциальных применений от биомеханических протезов с тактильными ощущениями до чувствительных манипуляторов на роботах, работающих в космосе.
Подробные результаты исследования были описаны в журнале Science Robotics.
