Роботы «воспринимают» прикосновения с помощью тактильного датчика, меняющего цвет

Робот прикасается к монете, улавливая её мельчайшие детали. Фото: Лондонский университет Квин-Мэри

Инженеры Лондонского университета королевы Марии разработали новый тактильный датчик, меняющий цвет, который позволяет роботам «видеть» и ощущать прикосновения в режиме реального времени. Концепция была разработана Джакомо Сассо, постдокторантом Школы инженерии и материаловедения, и основана на преобразовании невидимых сил в динамические цветовые узоры. Это позволяет мгновенно отображать карты контакта, деформации и давления с высоким разрешением.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.

Когда на мягкую сенсорную поверхность оказывается давление, материал генерирует пространственно-изменяющиеся структурные цвета, которые стандартная камера может сразу же зафиксировать, что исключает необходимость в сложных алгоритмах реконструкции.

От производственных цехов до хирургии

Эта технология позволяет роботизированному захвату собирать микрокомпоненты с точностью, необходимой в производстве, где каждое мельчайшее изменение силы становится видимым в режиме реального времени. Она также имеет потенциал в здравоохранении, где внешний протез конечности мог бы обрести более насыщенное осязание при выполнении деликатных повседневных или клинических задач.

В то же время хирургические системы смогут отличать здоровую ткань от патологической, считывая тонкие особенности давления непосредственно по цветовой реакции материала.

Датчики, встроенные в материал

В отличие от традиционных тактильных датчиков, в этой новой системе сенсорные элементы встроены непосредственно в сам материал. Механические взаимодействия преобразуются в цветовые поля, которые недорогая USB-камера может считывать в режиме реального времени. Проведенная работа уже дала результаты, продемонстрировав первое решение в этой области, работающее в режиме реального времени.

«Вы даже не догадываетесь, сколько информации генерируется, когда ваш палец нажимает на выключатель света. Человеческая рука содержит более 10 000 механорецепторов, выполняющих эту задачу, однако тактильное зондирование по-прежнему остается одной из главных проблем в робототехнике», — сказал Сассо.

«Мы были рады, что нам удалось зафиксировать рельеф пальцев, поскольку ни одна из существующих технологий не способна воспроизвести такую плотность датчиков в сопоставимом масштабе и с такой простотой». Ключевая идея этого проекта заключалась в нестандартном подходе: вместо встраивания плотных и чрезмерно сложных массивов датчиков функция восприятия переносится в сам материал, где механические сигналы напрямую преобразуются в цветовые поля и фиксируются с помощью простой и недорогой USB-камеры». Это позволяет создавать подробные карты давления, одновременно упрощая архитектуру системы.

Соавторы из Флорентийского университета, Университета Триеста и Университета Тренто в Италии согласны с тем, что «особенно эффективно то, что информация уже содержится в световом сигнале. Вы больше не воссоздаете осязание — вы наблюдаете его напрямую», — сказал профессор Джеймс Басфилд.

Решение давнего компромисса

Идея возникла из необходимости преодолеть постоянный компромисс в тактильном зондировании на основе зрения: системы с высоким разрешением обычно требуют мощных вычислительных ресурсов для реконструкции геометрии контакта, что приводит к задержкам, в то время как более быстрые системы часто теряют пространственную детализацию.

Сотрудничество между профессором Федерико Карпи из Флорентийского университета и Басфилдом объединяет исследовательские области мягкой робототехники и материаловедения. Опираясь на многолетнюю работу над растяжимыми датчиками и характеристиками полимеров, команда постепенно расширила возможности сопряжения механической податливости с функциональным зондированием.

В этих рамках механохромные материалы представляют собой новое направление: вместо того чтобы полагаться на сложную микроэлектронику для интерпретации деформации (такселы), сам материал становится сенсорной средой, напрямую кодируя механическое взаимодействие в видимые оптические сигналы.