Искусственная кожа: как научить роботов чувствовать и зачем это делать

Для нас стало привычным, что роботы могут видеть и слышать лучше человека. В зависимости от задач им доступны разные расширенные спектры восприятия, а данные для обработки часто поступают от десятков камер и микрофонов. При этом с тактильной чувствительностью дела обстоят крайне неважно. Искусственная кожа, способная осязать, стала настоящим вызовом для специалистов в области робототехники. Серийно ткани и покрытия, сравнимые с человеческой кожей, не выпускаются до сих пор. В то же время последние вести из лабораторий выглядят крайне обнадёживающе.

Первый сенсор с пьезо- и фотоэлектрическим эффектом, одновременно определяющий силу давления и рельеф поверхности (фото: Gary Meek)

Задача имитации человеческого восприятия при помощи электроники стала одной из самых сложных. Сегодня это главный камень преткновения также в создании систем искусственного интеллекта и разработке человеко-машинных интерфейсов. От роботов хотят всё большей универсальности и участия в поисково-спасательных операциях.

Умение аккуратно обращаться с разными объектами требует быстрого определения характера их поверхности и допустимого давления на них. Одного дело расчищать завал от строительного мусора и совсем другое — вытаскивать из-под него раненых людей, часть из которых находится без сознания. Для первой задачи годится и бульдозер, но вторая подразумевает максимальную осторожность. Одними камерами здесь не обойтись — роботу (или оператору) надо постоянно чувствовать что он держит в руках и точно дозировать усилия.

Зачем ещё может потребоваться научить робота чувствовать? В своё время ответ на этот вопрос изобразил художник Франц Штайнер (Franz Steiner). Приведём здесь только одну из его известных картин.

Будущее людей и роботов (изображение: Франц Штайнер)

С проблемой отсутствия тактильной обратной связи не раз сталкивались и специалисты NASA во время управления марсоходами. По картинке было трудно определить характер поверхности планеты на предстоящем участке пути. Марсоходы передвигали по сантиметрам, но всё равно они завязали в податливом грунте, а у «Спирита» после очередной аварии оказалось заблокированным колесо.

В общем случае передача тактильных ощущений требует технологии изготовления большого массива датчиков с высочайшей чувствительностью, разрешающей способностью и малым временем возврата к исходному состоянию.

После многолетних экспериментов исследователи из Технологического института Джорджии смогли разработать сенсорное устройство, которое преобразует энергию слабого механического давления напрямую в световые сигналы. Последние легко передать в любой прозрачной среде, зафиксировать на значительном удалении и обработать по уже существующим в оптоэлектронике принципам.

Общая схема работы датчика давления (фото: Zhong Lin Wang)

Для первых прототипов достигнуто эффективное разрешение 2,7 микрона. В привычной пользователям графических планшетов терминологии это эквивалент 6350 точек на дюйм. Сенсор пригоден для считывания папиллярного узора на подушечках пальцев и других микрорельефных структур.

Помимо анализа отпечатков пальцев, обработки рукописных подписей и прочих биометрических приложений, этот метод может быть использован в разработке новых микроэлектромеханических (MEMS) схем самого разного назначения. Наиболее актуально стоит задача имитации осязания для кожи роботов. Полученная для прототипа чувствительность уже сравнима с таковой у человека.

Ранее в рабочих прототипах искусственной кожи была достигнута независимая обработка сигналов от микродатчиков, размещённых на расстоянии порядка двух-трёх миллиметров. Компания Syntouch уже изготавливает такие чувствительные пальцы серии BioTac для манипуляторов роботов. Они реагируют на температуру поверхности и различают свыше ста различных текстур. Из-за относительно низкой плотности расположения чувствительных элементов «ощупывание» порой занимает значительное время. Чтобы приблизиться к средним показателям кожи человека, требовалось повысить разрешение до 50 мкм — то есть, в шестьдесят раз.

До сих пор основные усилия исследователей были сосредоточены на различных вариантах изменения ёмкости и сопротивления малых участков цепи, в качестве которых выступали нанопровода, органические транзисторы или многослойные конструкции с пьезоэлектрическим эффектом.

Компьютерра уже писала в прошлом году о достижениях исследовательской группы Национального университета Южной Кореи. Созданная ими искусственная кожа со множеством полимерных волосков тоже считалась более чувствительной, чем человеческая. Однако речь шла только о регистрации самого факта прикосновения без распознавания его детальных характеристик. Сканирование папиллярных линий и других микрорельефов с её помощью было бы невозможно.

Искусственная кожа с чувствительными полимерными волосками (фото: Rachel Nowak)

Гораздо дальше продвинулись учёные из Стэнфордского университета. В группе под руководством Чженань Бао был создан эластичный материал, одновременно выполняющий роль гибкой солнечной панели и датчика прикосновений. Тактильная чувствительность добавлялась за счёт микротранзисторов, регистрирующих изменения силы тока.

Созданный в Технологическом институте Джорджии сенсор продолжает это направление, добавляя компоненты оптоэлектроники для простоты одновременной регистрации сигналов. Он представляет собой массив нанопроводов из оксида цинка, упорядоченно размещённых на тонкой плёнке. Для сохранения специфического узора укладки пространство между проводами заполнено полиметилметакрилатом (оргстеклом). Общий электрод на верхней части массива формируется прозрачным слоем оксида индия и олова.

Устройство датчика давления (фото: Zhong Lin Wang)

Каждый пиксель сенсорной поверхности представлен одной нанопроволокой из оксида цинка (полупроводник n-типа) и органического светодиода (полупроводник p-типа). Интенсивность излучения последнего зависит от степени деформации и обусловлена сочетанием пьезо- и фотоэлектрических эффектов.

При появлении механического давления, нанопроводники сжимаются и создают отрицательный пьезоэлектрический потенциал, в то время как несжатые проводники обладают нулевым потенциалом.

В результате работы сенсора создаётся электронная карта распределения механического давления. Она выполняется посредством параллельного считывания электролюминесцентных сигналов от всех пикселей, время перезарядки которых составляет около 90 мс. Иными словами, такой искусственной кожей распознаются не только простые единичные и множественные касания, но и вибрация с частотой до 11 Гц.

По результатам тестов на стабильность сенсор показал хорошие результаты. Отклонения уровней сигналов двадцати тысячи пикселей опытного образца не превышали пяти процентов в серии из двадцати пяти опытов.

Используемые сенсоры обеспечат развитие робототехники и бионики. Чувствительные искусственные конечности нужны не только роботам, но и людям, лишившимся своих. Также сенсоры будут способствовать созданию новых человеко-машинных интерфейсов и найдут широкое применение в сфере безопасности.