Betaalbare, duurzame, ultra-gevoelige robotische huid voor verbeterde menselijke sensing

Andrew Corselli

(Afbeelding: University of Cambridge)

Wetenschappers hebben een laag-kost, duurzame, hooggevoelige robotische 'huid' ontwikkeld die aan robotische handen toegevoegd kan worden als een handschoen, wat robots in staat stelt om informatie over hun omgeving te detecteren op een manier die vergelijkbaar is met mensen.

De onderzoekers, van de University of Cambridge en University College London (UCL), ontwikkelden de flexibele, geleidende huid, die makkelijk te fabriceren is en gesmolten en gevormd kan worden in een breed scala aan complexe vormen. De technologie zintuigt en verwerkt een reeks fysieke inputs, wat robots in staat stelt om op een betekenisvollere manier met de fysieke wereld te interacteren.

Unieke aanpak: de gehele huid is een sensor

In tegenstelling tot andere oplossingen voor robotische tast, die typisch via sensoren werken die in kleine gebieden ingesloten zijn en verschillende sensoren vereisen om verschillende typen tast te detecteren, is de gehele elektronische huid die door de Cambridge en UCL onderzoekers ontwikkeld is een sensor, wat het dichter bij ons eigen sensornysteem brengt: onze huid.

Hoewel de robotische huid niet zo gevoelig is als menselijke huid, kan het signalen detecteren van meer dan 860.000 kleine paden in het materiaal, wat het in staat stelt om verschillende typen tast en druk te herkennen — zoals de tik van een vinger, een heet of koud oppervlak, schade door snijden of steken, of meerdere punten die tegelijkertijd aangeraakt worden — in een enkel materiaal.

De onderzoekers gebruikten een combinatie van fysieke tests en machine learning technieken om de robotische huid te helpen 'leren' welke van deze paden het meest relevant zijn, zodat het verschillende typen contact efficiënter kan voelen.

Exclusieve Tech Briefs interview met Co-Author Thomas George Thuruthel, Ph.D., van UCL

Tech Briefs: Wat was de grootste technische uitdaging die je tegenkwam tijdens het smelten en vormen van de huid?

Thuruthel: Er waren een paar kleine uitdagingen. Ik denk dat een van hen was dat dit materiaal niet zo gemakkelijk vloeit. Je kunt geen erg complexe vormen maken. Je kunt dingen als gaten krijgen. Maar ik denk eerlijk gezegd dat de grootste uitdaging was dit materiaal bedraden met onze elektronica boek. Dus het materiaal zelf is zacht en compliant, maar de draden moeten op een gegeven moment rigide zijn. Deze interface tussen het zachte materiaal en deze rigide draad is altijd een grote uitdaging.

Tech Briefs: Hoe ziet het proces eruit voor smelten en vormen van de vormen?

Thuruthel: We hebben een waterbad. Dit materiaal smelt rond 50° tot 60°C, en dan zal het solidificeren rond 30° tot 40°C. Dus, we verwarmen het tot een vloeistof, we hebben een vorm waar er kleine openingen zullen zijn waaruit je het materiaal kunt gieten. Er zullen kleine openingen zijn zodat dat ook uit kan gaan. Je giet het materiaal in, je zegelt alle gaten, en dan houd je het een paar uur buiten zodat het stelt. Dan open je de vorm. Natuurlijk is de vorm makkelijk te losmaken zodat je de gevormde vorm later kunt uithalen.

Tech Briefs: Het artikel dat ik las zegt, "Hoewel de robotische huid niet zo gevoelig is als menselijke huid, kan het signalen detecteren van meer dan 860.000 kleine paden in het materiaal." Mijn vraag is: Hoeveel signalen kan de huidige commerciële e-huid detecteren en hoe vergelijken die getallen met menselijke tast?

Thuruthel: Hoewel we 860.000 kanalen zeiden, betekent dat niet noodzakelijk dat dat het aantal onafhankelijke informatie-eenheden is die je krijgt. Er is veel informatie, maar er is veel informatie die redundant is. We hebben niet gekwantificeerd hoeveel de onafhankelijke hoeveelheid informatie is die je krijgt. Maar ik zou zeggen, ongeveer, voor onze opstelling, zou ik zeggen dat het rond de 2.000 tot 3.000 eenheden zou zijn waar je naar op zoek bent. Voor de menselijke hand zou dat aantal rond de 15.000 eenheden zijn. Veel van de commerciële zijn heel discreet; wat je meestal ziet is in de orde van honderden of tientallen — ik denk dat zelfs honderden zeldzaam is.

Er is echter een technologie genaamd vision-based tactile sensors, die camera's gebruikt die in je handen ingesloten zijn. Ze zouden theoretisch hogere resolutie hebben, maar weer, het kan niet gekwantificeerd worden. Je kunt geen nummer krijgen voor hoeveel eenheden je hebt.

Tech Briefs: Heb je concrete plannen voor verder onderzoek? En zo niet, wat zijn je volgende stappen?

Thuruthel: We hebben een recente U.K. subsidie ontvangen; we proberen deze technologie te ontwikkelen voor meer commerciële toepassingen. We hebben niet echt getest hoe de huid zou presteren als we herhaalde contact hadden voor, laten we zeggen, duizenden of 10.000 interacties. Ik denk dat we anticiperen dat dit een probleem kan zijn, met name op deze interface tussen het zachte materiaal en het netwerk.

Dus we kijken naar betere manieren van interfaceren en ook naar verschillende materialen. Wat we gebruiken is hydrogeel, wat een fatsoenlijk materiaal is maar niet erg robuust of duurzaam. We kijken naar meer synthetische materialen, natuurlijke materialen zoals rubber, Zum voorbeeld, als alternatief.

En dan kijken we naar hogere-niveau taken. Op dit moment schatten we alleen perceptie-informatie, zoals waar is de contactlocatie, Zum voorbeeld. We willen de lus sluiten — dus hoe gebruiken we deze informatie op een robotische hand of systeem zodat het realworld taken kan uitvoeren die behoorlijk nuttig zijn?

Dat zijn onze volgende stappen.

Transcript

00:00:02 Robots kunnen nu voelen wat ze aanraken net als wij. Nou, bijna. Onderzoekers aan de University of Cambridge hebben een kunstmatige huid gevuld met ultra gevoelige sensoren. Deze sensoren detecteren niet alleen druk, ze lezen textuur, temperatuur, zelfs pijn-achtige signalen. De huid die de onderzoekers in de vorm van een hand gieten is gemaakt van een

00:00:29 geëlectrolyseerd hydrogeel met elektrode ingesloten rond de pols. Elektrische velden gegenereerd over de huid detecteren verschillende typen stimulatie. De sensoren monitoren duizenden bits informatie die niet alleen detecteren waar de stimulatie is maar ook het type stimulatie. De informatie wordt dan overgedragen aan de elektrode. De kunstmatige huid kan meerdere

00:00:56 gevoelens tegelijkertijd detecteren, zoals tast, vocht, temperatuur, en pijn, en kan over mechanische robot handen passen als een handschoen. Deze laag-kost huid kan de velden van prothesen, robotische chirurgie, de automotive industrie, revalidatie, en zelfs ruimtevaart revolutioneren. Wat voelt dat? De toekomst werd net een beetje menselijker.