Erschwingliche, langlebige, hochempfindliche Roboterhaut für eine verbesserte menschenähnliche Wahrnehmung

Andrew Corselli

(Bild:Universität Cambridge)

Wissenschaftler haben eine kostengünstige, langlebige und hochempfindliche Roboter-„Haut“ entwickelt, die wie ein Handschuh an Roboterhänden angebracht werden kann und es Robotern ermöglicht, Informationen über ihre Umgebung auf ähnliche Weise wie Menschen zu erfassen.

Die Forscher der University of Cambridge und des University College London (UCL) haben die flexible, leitfähige Haut entwickelt, die einfach herzustellen ist und eingeschmolzen und in eine Vielzahl komplexer Formen gebracht werden kann. Die Technologie erfasst und verarbeitet eine Reihe physischer Eingaben und ermöglicht es Robotern, auf sinnvollere Weise mit der physischen Welt zu interagieren.

Im Gegensatz zu anderen Lösungen für Roboterberührungen, die normalerweise über in kleine Bereiche eingebettete Sensoren funktionieren und unterschiedliche Sensoren zur Erkennung verschiedener Arten von Berührungen erfordern, ist die gesamte von den Cambridge- und UCL-Forschern entwickelte elektronische Haut ein Sensor und rückt sie unserem eigenen Sensorsystem, unserer Haut, näher.

Obwohl die Haut des Roboters nicht so empfindlich ist wie die menschliche Haut, kann sie Signale von über 860.000 winzigen Pfaden im Material erkennen und so verschiedene Arten von Berührungen und Druck in einem einzigen Material erkennen – etwa das Tippen eines Fingers, eine heiße oder kalte Oberfläche, Schäden durch Schneiden oder Stechen oder das gleichzeitige Berühren mehrerer Punkte.

Die Forscher nutzten eine Kombination aus physikalischen Tests und Techniken des maschinellen Lernens, um der Roboterhaut dabei zu helfen, zu „lernen“, welche dieser Bahnen am wichtigsten sind, damit sie verschiedene Arten von Kontakt effizienter erkennen kann.

Hier ist ein exklusiver Tech Briefs Interview, aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet, mit Co-Autor Thomas George Thuruthel, Ph.D., von der UCL.

Technische Kurzinformationen :Was war für Sie die größte technische Herausforderung beim Schmelzen und Formen der Haut?

Thuruthel :Es gab ein paar kleine Herausforderungen. Ich denke, einer davon war, dass dieses Material nicht so leicht zu fließen ist. Sie können keine sehr komplexen Formen erstellen. Möglicherweise entstehen Lücken. Aber ich denke ehrlich gesagt, die größte Herausforderung bestand darin, dieses Material mit unserem Elektronikbuch zu verknüpfen. Das Material selbst ist also weich und nachgiebig, die Drähte müssen jedoch irgendwann steif sein. Diese Schnittstelle zwischen dem weichen Material und diesem starren Draht ist immer eine große Herausforderung.

Technische Kurzinformationen :Wie ist der Prozess des Einschmelzens und Formens?

Thuruthel :Wir haben ein Wasserbad. Dieses Material schmilzt bei etwa 50 bis 60 °C und erstarrt dann bei etwa 30 bis 40 °C. Also erhitzen wir es zu einer Flüssigkeit, wir haben eine Form, in der es kleine Öffnungen gibt, durch die man das Material hineingießen kann. Es wird kleine Öffnungen geben, damit auch das herausgehen kann. Sie gießen das Material ein, verschließen alle Löcher und lassen es dann einige Stunden draußen, damit es aushärtet. Dann öffnen Sie die Form. Selbstverständlich lässt sich die Form leicht abnehmen, sodass Sie die Form später herausnehmen können.

Technische Kurzinformationen :In dem Artikel, den ich gelesen habe, heißt es:„Obwohl die Haut des Roboters nicht so empfindlich ist wie die menschliche Haut, kann sie Signale von über 860.000 winzigen Pfaden im Material erkennen.“ Meine Frage lautet:Wie viele Signale kann der aktuelle kommerzielle E-Skin erkennen und wie sind diese Zahlen im Vergleich zur menschlichen Berührung?

Thuruthel :Obwohl wir von 860.000 Kanälen gesprochen haben, bedeutet das nicht unbedingt, dass es sich dabei um die Anzahl der unabhängigen Informationseinheiten handelt, die Sie erhalten. Es gibt viele Informationen, aber es gibt auch viele Informationen, die überflüssig sind. Wir haben nicht quantifiziert, wie hoch die unabhängigen Mengeninformationen sind, die Sie erhalten. Aber im Großen und Ganzen würde ich sagen, dass es sich bei unserem Aufbau um etwa 2.000 bis 3.000 Einheiten handeln würde. Für die menschliche Hand wären es etwa 15.000 Einheiten. Viele der kommerziellen Angebote sind sehr diskret; Was man meistens sieht, liegt in der Größenordnung von Hunderten oder Zehnern – ich denke, sogar Hunderte sind sehr selten.

Es gibt jedoch eine Technologie namens visionbasierte taktile Sensoren, die Kameras verwendet, die in Ihre Hände eingebettet sind. Theoretisch hätten sie eine höhere Auflösung, aber auch diese lässt sich nicht quantifizieren. Sie können keine Zahl darüber erhalten, wie viele Einheiten Sie haben.

Technische Kurzinformationen :Haben Sie konkrete Pläne für weitere Forschungsarbeiten? Und wenn nicht, was sind Ihre nächsten Schritte?

Thuruthel :Wir haben kürzlich ein Stipendium aus dem Vereinigten Königreich erhalten; Wir versuchen, diese Technologie für kommerziellere Anwendungen zu entwickeln. Wir haben nicht wirklich getestet, wie es der Haut ergehen würde, wenn wir, sagen wir mal, Tausende oder 10.000 Interaktionen wiederholten Kontakt hätten. Ich denke, wir gehen davon aus, dass dies ein Problem sein könnte, insbesondere an dieser Schnittstelle zwischen dem weichen Material und dem Netzwerk.

Deshalb suchen wir nach besseren Möglichkeiten der Verbindung und schauen uns auch verschiedene Materialien an. Was wir verwenden, ist Hydrogel, ein gutes Material, aber nicht sehr robust oder langlebig. Als Alternative prüfen wir verstärkt synthetische Materialien, zum Beispiel Naturmaterialien wie Gummi.

Und dann schauen wir uns übergeordnete Aufgaben an. Im Moment schätzen wir lediglich Wahrnehmungsinformationen, etwa wo sich der Kontaktort befindet. Wir wollen den Kreislauf schließen – wie nutzen wir diese Informationen also in einer Roboterhand oder einem Robotersystem, damit es wirklich nützliche Aufgaben in der realen Welt ausführen kann?

Das sind unsere nächsten Schritte.

Transkript

00:00:02 Roboter können jetzt genau wie wir fühlen, was sie berühren. Na ja, fast. Forscher der Universität Cambridge haben eine künstliche Haut voller hochempfindlicher Sensoren geschaffen. Diese Sensoren erfassen nicht nur den Druck, sondern auch die Textur, die Temperatur und sogar schmerzähnliche Signale. Die Haut, die die Forscher in die Form einer Hand formten, besteht aus einem

00:00:29 elektrolytisches Hydrogel mit um das Handgelenk eingebetteten Elektroden. Über die Haut erzeugte elektrische Felder erkennen verschiedene Arten von Stimulation. Die Sensoren überwachen Tausende von Informationen, die nicht nur erkennen, wo die Stimulation stattfindet, sondern auch die Art der Stimulation. Die Informationen werden dann an die Elektroden übertragen. Die künstliche Haut kann mehrere erkennen

00:00:56 Empfindungen wie Berührung, Feuchtigkeit, Temperatur und Schmerz gleichzeitig und können wie ein Handschuh über mechanische Roboterhände passen. Diese kostengünstige Haut könnte die Bereiche Prothetik, Roboterchirurgie, Automobilindustrie, Rehabilitation und sogar Weltraumforschung revolutionieren. Was ist das für ein Gefühl? Die Zukunft ist gerade etwas menschlicher geworden.