Większość robotów osiąga chwytanie i wyczuwanie dotykowe za pomocą środków zmotoryzowanych, które mogą być nadmiernie nieporęczne i sztywne. Grupa z Cornell University opracowała sposób na to, aby miękki robot wyczuwał swoje otoczenie wewnętrznie, podobnie jak ludzie.
Grupa kierowana przez Roberta Shepherda, adiunkta inżynierii mechanicznej i lotniczej oraz głównego badacza Laboratorium Robotyki Organicznej, opublikował artykuł opisujący, w jaki sposób rozciągliwe falowody optyczne działają jako czujniki krzywizny, wydłużenia i siły w miękkiej dłoni robota.
Doktorant Huichan Zhao jest głównym autorem „Optoelektronicznie unerwiona miękka proteza dłoni za pomocą rozciągliwych falowodów optycznych”, który znalazł się w debiutanckim wydaniu Science Robotics. Gazeta ukazała się 6 grudnia; swój wkład mieli również doktoranci Kevin O'Brien i Shuo Li, obaj z laboratorium Shepherda.
„Większość dzisiejszych robotów ma czujniki na zewnątrz ciała, które wykrywają rzeczy z powierzchni” – powiedział Zhao. „Nasze czujniki są zintegrowane z ciałem, dzięki czemu mogą faktycznie wykrywać siły przenoszone przez grubość robota, podobnie jak my i wszystkie organizmy robimy na przykład, gdy odczuwamy ból”.
Falowody optyczne są używane od wczesnych lat 1970-tych w wielu funkcjach wykrywania, w tym dotykowych, pozycyjnych i akustycznych. Produkcja była początkowo skomplikowanym procesem, ale pojawienie się w ciągu ostatnich 20 lat miękkiej litografii i druku 3D doprowadziło do opracowania czujników elastomerowych, które można łatwo wytwarzać i włączać do miękkiej aplikacji robota.
Grupa Shepherda zastosowała czteroetapowy proces miękkiej litografii, aby wytworzyć rdzeń (przez który rozchodzi się światło) i płaszcz (zewnętrzna powierzchnia falowodu), w którym znajduje się również dioda LED (dioda elektroluminescencyjna) i fotodioda.
Im bardziej proteza ręki odkształca się, tym więcej światła traci się przez rdzeń. Ta zmienna utrata światła, wykryta przez fotodiodę, umożliwia protezie „wyczuwanie” otoczenia.
„Gdyby podczas zginania protezy nie ginęło żadne światło, nie otrzymalibyśmy żadnych informacji o stanie czujnika” – powiedział Shepherd. „Wysokość straty zależy od tego, w jaki sposób jest wygięta”.
Grupa używała swojej protezy optoelektronicznej do wykonywania różnych zadań, w tym chwytania i sondowania zarówno kształtu, jak i tekstury. Przede wszystkim ręka była w stanie zeskanować trzy pomidory i określić, na podstawie miękkości, który z nich był najbardziej dojrzały.
Zhao powiedział, że ta technologia ma wiele potencjalnych zastosowań poza protezami, w tym roboty inspirowane biologią, które Shepherd badał wraz z Masona Pecka, profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej i lotniczej, do użytku w eksploracji kosmosu.
„Ten projekt nie ma sprzężenia zwrotnego sensorycznego”, powiedział Shepherd, odnosząc się do współpracy z Peck, „ale gdybyśmy mieli czujniki, moglibyśmy monitorować w czasie rzeczywistym zmianę kształtu podczas spalania [poprzez elektrolizę wody] i opracować lepsze sekwencje uruchamiania, aby porusza się szybciej”.
Przyszłe prace nad falowodami optycznymi w robotyce miękkiej będą koncentrować się na zwiększonych możliwościach sensorycznych, częściowo poprzez drukowanie 3D bardziej złożonych kształtów czujników oraz poprzez włączenie uczenia maszynowego jako sposobu oddzielenia sygnałów od zwiększonej liczby czujników. „W tej chwili”, powiedział Shepherd, „trudno jest zlokalizować, skąd pochodzi dotyk”.
Praca ta była finansowana z grantu Biura Badań Naukowych Sił Powietrznych i wykorzystywała m.in Placówka naukowo-technologiczna Cornell NanoScale oraz Centrum Badań Materiałowych Cornell, z których oba są wspierane przez Narodową Fundację Nauki.
- Toma Fleischmana, Uniwersytet Cornella