Ερευνητές δημιουργούν τεχνητό δέρμα για ρομπότ που χαρτογραφεί την αφή μέσω χρωματικών αλλαγών

Σύνοψη

• Αντικαθιστά τις συστοιχίες μικροαισθητήρων με έξυπνα πολυμερή υλικά και μια κάμερα.
• Η φυσική πίεση μετατρέπεται άμεσα σε ορατό χρωματικό μοτίβο.
• Το σύστημα χαρτογραφεί άμεσα τη δύναμη χωρίς ανάγκη βαριάς υπολογιστικής επεξεργασίας.
• Ιδανικό για γραμμές παραγωγής, προηγμένα προσθετικά μέλη και χειρουργικά ρομπότ υψηλής ακρίβειας.

Η οπτική αναγνώριση αποτελεί πλέον κεκτημένο για τα σύγχρονα ρομποτικά συστήματα, όμως η αίσθηση της αφής παραμένει ένα από τα μεγαλύτερα τεχνικά εμπόδια στην εξέλιξη της μηχανικής αυτοματοποίησης. Η αδυναμία των ρομπότ να κατανοήσουν ενστικτωδώς τη δύναμη με την οποία πρέπει να πιάσουν ένα αντικείμενο, είτε πρόκειται για ένα εύθραυστο γυάλινο ποτήρι είτε για ένα ευαίσθητο βιολογικό ιστό, περιορίζει δραστικά την ευελιξία τους σε απρόβλεπτα περιβάλλοντα. Μέχρι σήμερα, η λύση σε αυτό το πρόβλημα απαιτούσε την ανάπτυξη πολύπλοκων και δαπανηρών διατάξεων, με εκατοντάδες ή και χιλιάδες μικροσκοπικούς αισθητήρες πίεσης τοποθετημένους στα ρομποτικά άκρα.

Αυτή η προσέγγιση, παρά την ακρίβειά της, συνεπάγεται υπερβολικό υπολογιστικό φόρτο, καθώς ο κεντρικός επεξεργαστής του ρομπότ καλείται να μεταφράσει χιλιάδες μεμονωμένα αναλογικά και ψηφιακά σήματα σε πραγματικό χρόνο, αυξάνοντας το κόστος κατασκευής, τον όγκο των καλωδιώσεων και την πιθανότητα βλαβών κατά τη συνεχή βιομηχανική χρήση. 

Ερευνητές από το Queen Mary University of London παρουσίασαν μια εναλλακτική μέθοδο, η οποία ανατρέπει πλήρως τα δεδομένα της ρομποτικής αντίληψης, χρησιμοποιώντας μηχανοχρωμικά υλικά για να μετατρέψουν τη φυσική πίεση άμεσα σε οπτικά αναγνωρίσιμη πληροφορία.

Τι είναι η μηχανοχρωμική τεχνολογία και πώς λειτουργεί;

Η νέα έρευνα περιγράφει τη δημιουργία ενός αισθητήρα που καταγράφει την επαφή αμιγώς οπτικά. Σε αντίθεση με τους παραδοσιακούς πιεζοηλεκτρικούς ή χωρητικούς αισθητήρες, το νέο σύστημα βασίζεται σε ένα μαλακό υλικό επικάλυψης, το οποίο λειτουργεί ουσιαστικά ως ένα τεχνητό δέρμα. Το κύριο χαρακτηριστικό αυτού του πολυμερούς υλικού είναι η ικανότητά του να αλλάζει χρώμα όταν παραμορφώνεται ή όταν δέχεται μηχανική πίεση, ένα φυσικοχημικό φαινόμενο γνωστό ως μηχανοχρωμισμός.

Όταν το ρομποτικό δάχτυλο έρχεται σε επαφή με μια επιφάνεια, οι εσωτερικές δομές του υλικού ανταποκρίνονται στη δύναμη, παράγοντας ζωντανά χρωματικά μοτίβα. Η χρωματική αυτή αλλαγή δεν είναι απλώς διακοσμητική, αλλά αποτελεί έναν εξαιρετικά ακριβή, δυναμικό χάρτη της ίδιας της επαφής. Παρέχει στο σύστημα άμεσα δεδομένα σχετικά με το ακριβές σημείο της πίεσης, το μέγεθος της ασκούμενης δύναμης, αλλά και την παραμόρφωση του ίδιου του υλικού, αποτυπώνοντας την υφή και το σχήμα του αντικειμένου με εξαιρετικά υψηλή ανάλυση.

Η πραγματική καινοτομία δεν περιορίζεται μόνο στο υλικό, αλλά στον τρόπο συλλογής των δεδομένων. Εφόσον η πίεση μεταφράζεται πλέον σε χρώμα, το ρομπότ δεν χρειάζεται να επεξεργαστεί περίπλοκα ηλεκτρικά σήματα από καλώδια. Μπορεί απλώς να χρησιμοποιήσει μια τυπική, χαμηλού κόστους κάμερα USB. Η κάμερα εστιάζει στην εσωτερική πλευρά του μηχανοχρωμικού υλικού (στο εσωτερικό του ρομποτικού άκρου) και μεταδίδει την εικόνα στο σύστημα ελέγχου. Οι αλγόριθμοι μηχανικής όρασης, οι οποίοι είναι ήδη ραγδαία ανεπτυγμένοι τα τελευταία χρόνια, αναλαμβάνουν να αποκωδικοποιήσουν τη χρωματική αλλαγή σε δεδομένα πίεσης. Με αυτόν τον τρόπο, το ρομπότ στην ουσία «βλέπει» αυτό που αγγίζει, καταργώντας πλήρως την ανάγκη για ξεχωριστά ηλεκτρονικά κυκλώματα αφής.

Η απλοποίηση του hardware και η μείωση του κόστους

Η σύγκλιση της αφής και της όρασης λύνει ένα από τα πιο δυσεπίλυτα προβλήματα στον τομέα της ρομποτικής, την ανάγκη επιλογής μεταξύ της ταχύτητας επεξεργασίας και της ακρίβειας των δεδομένων. Τα παραδοσιακά απτικά συστήματα δημιουργούν τεράστιες καθυστερήσεις λόγω της πολυπλοκότητας της κωδικοποίησης εκατοντάδων παραμέτρων ταυτόχρονα. Αντιθέτως, χρησιμοποιώντας μια απλή κάμερα, η συχνότητα λήψης δεδομένων καθορίζεται από τα καρέ ανά δευτερόλεπτο του αισθητήρα εικόνας, επιτρέποντας την ταχύτατη λήψη αποφάσεων από το κεντρικό λογισμικό.

Παράλληλα, μειώνεται κατακόρυφα το κόστος κατασκευής. Η ενσωμάτωση χιλιάδων αισθητήρων στο άκρο ενός ρομπότ είναι εξαιρετικά δαπανηρή και εύθραυστη, ενώ η συντήρηση τους είναι δύσκολη, καθώς τα μηχανικά μέρη φθείρονται εύκολα από την τριβή. Ένα μαλακό μηχανοχρωμικό στρώμα είναι σημαντικά φθηνότερο στην παραγωγή και μπορεί να αντικατασταθεί άμεσα σε περίπτωση φυσικής φθοράς, χωρίς να απαιτείται η κοστοβόρα επανακαλωδίωση του βραχίονα.

Πεδίο εφαρμογών: Από τη βιομηχανία μέχρι το χειρουργείο

Η ικανότητα άμεσης οπτικοποίησης της πίεσης ανοίγει νέους δρόμους σε πολλαπλούς τομείς εφαρμογών. Σε επίπεδο βιομηχανικής παραγωγής, τα ρομπότ συναρμολόγησης θα μπορούν πλέον να χειρίζονται εξαρτήματα μικρής κλίμακας με πρωτοφανή ακρίβεια. Ειδικά στον τομέα των μικροηλεκτρονικών ή της φαρμακοβιομηχανίας, η δυνατότητα να πιάσουν ένα αντικείμενο χωρίς να του ασκήσουν καταστροφική πίεση μειώνει τον αριθμό των ελαττωματικών προϊόντων και αυξάνει την αποδοτικότητα.

Οι πλέον κρίσιμες εφαρμογές, ωστόσο, εντοπίζονται στον ιατρικό τομέα και την ανάπτυξη προηγμένων προθέσεων. Τα σύγχρονα χειρουργικά ρομπότ προσφέρουν εκπληκτική ακρίβεια στην κίνηση, αλλά στερούνται της φυσικής αίσθησης της επαφής που διαθέτει ο ανθρώπινος χειρουργός. Ένα ιατρικό εργαλείο εξοπλισμένο με μηχανοχρωμικούς αισθητήρες θα μπορούσε να διακρίνει την υφή ενός ιστού και να αναγνωρίσει αυτόματα διαφορές στην ελαστικότητα. Αυτό θα επέτρεπε στο σύστημα να αντιληφθεί αν ο ιστός είναι υγιής ή αν παρουσιάζει σκλήρυνση που υποδηλώνει κάποια παθολογία, αυξάνοντας δραματικά το επίπεδο ασφάλειας των επεμβάσεων.

Στον τομέα των προσθετικών μελών, η τεχνολογία προσφέρει τη δυνατότητα στους ακρωτηριασμένους ασθενείς να επανακτήσουν ουσιαστικά την αίσθηση της αφής. Συνδέοντας την κάμερα που καταγράφει τις αλλαγές χρώματος με ένα εξελιγμένο σύστημα μεταφοράς νευρικών σημάτων, ο χρήστης του προσθετικού μέλους θα μπορούσε να αντιληφθεί τη δύναμη που ασκεί το ρομποτικό του χέρι, αποφεύγοντας ατυχήματα και βελτιώνοντας καθοριστικά την καθημερινότητα και την εργονομία του.