- Naukowcy stworzyli niespotykany układ nerwowy dla robotów
- System jest oparty na światłowodowych neuronach i fotonach jako impulsach
- Rozwiązanie ma zapewniać maszynie czucie na skórze i wewnątrz ciała
Nowa sztuczna skóra potrafi wyczuć ucisk o wielkości połowy główki od szpilki. Delikatną, wrażliwą sieć naukowcy rozprowadzili nie tylko na powierzchni robota, ale i w jego wnętrzu. Takie rozwiązanie daje mu wyczucie dotykowe oraz wyobrażenie o pozycji własnego ciała w przestrzeni, a wszystko to jest oparte na właściwościach światła.
Wydawałoby się, że świat nauki ma już doskonałe systemy, które zapewniają robotom czucie, nie tylko dotykanej powierzchni, ale także jej temperatury czy twardości, a do tego zdalne czucie na odległość. Jednak naukowcy z Uniwersytetu Cornella mają dla nich coś nowego. Opracowali sztuczny układ nerwowy. Wyposażone weń roboty będą czuć zmiany ciśnienia mniejsze niż ułamek kilograma. System ma działać w całej maszynie.
Zaskoczona Matka Natura
Zespół kierowany przez dr. Roba Shepherda wpadł na pomysł, żeby nie naśladować układu nerwowego ludzi czy zwierząt, przesyłającego impulsy elektryczne. Zamiast tego postawił na optykę i światło, czego w świecie biologicznym nie znajdziemy.
Źródło: Cornell University / Instagram
W rozciągliwym, tworzonym przy użyciu drukarki 3D materiale, inżynierowie umieścili cieniutkie włókna światłowodowe. Uczeni z Uniwersytetu Cornella wykorzystali to, że światło szybciej przenosi informacje i w jednym momencie transportuje ich więcej. Ponadto światło może również przenosić informacje w kilku kierunkach jednocześnie i jest mniej podatne na zakłócenia elektromagnetyczne.
Ta skóra ma pokryć roboty z zewnątrz i od wewnątrz. Po co? Chodzi o tzw. propriocepcję.
To brzmi groźnie
Propriocepcja, choć brzmi niezwykle naukowo, to nic innego, jak umiejętność tzw. „głębokiego czucia”. Pozwala na precyzyjne określenie położenia poszczególnych części ciała w przestrzeni oraz na rozpoznawanie przemieszczania się własnych kończyn bez kontroli wzroku i dokładną ocenę tego, w jakiej pozycji one się znajdują. Czyli jest niezbędna do prawidłowego funkcjonowania.
Proprioreceptory są częścią składową mięśni, więzadeł i torebek stawowych. Umożliwiają odbieranie bodźców określających to, jak bardzo napięte i rozciągnięte są mięśnie, stawy i ścięgna, jak są względem siebie ułożone, a także jaki jest ruch części ciała wobec siebie.
Jeśli chcemy na przykład wejść po schodach czy zjeść kanapkę, nasz mózg za pomocą czucia głębokiego i sygnałów dokonuje oceny sytuacji początkowej, żeby następnie wprawić w ruch poszczególne partie mięśni, jednocześnie kontrolując je, regulując i dostrajając.
Roboty tego dotychczas nie potrafiły. A maszyny ze świadomością własnego ciała będą lepiej współpracować z ludźmi i lepiej się nimi opiekować, nie robiąc im krzywdy.
Światło w piance
Osłoną dla ultrawrażliwych włókien z mechanosensorami stał się wydrukowany w wysokiej rozdzielczości w 3D, elastyczny poliuretan z otworami, w które wprowadzono światłowody.
Górna część siatki, aby zwiększyć jej wrażliwość, jest miękka i giętka, dlatego lepiej przenosi siłę na czujniki mechaniczne. Głębsza część „skóry” jest twardsza, by zapewnić swoiste rusztowanie dla górnej warstwy. Rozciągliwe, lekkie przewody ułożone prostopadle oraz zagięte w kształt litery „U” transmitują fotony niebieskiego światła LED. Są podzielone na prowadnice wejściowe i wyjściowe, oddzielone od siebie szczeliną powietrzną.
Nowa sztuczna skóra potrafi wyczuć ucisk o wielkości połowy główki od szpilki. Wyposażone weń roboty będą czuć zmiany ciśnienia mniejsze niż ułamek kilograma
W wyniku nacisku światłowody wejściowe odkształcają się, stykając się z jedną prowadnicą wyjściową. Powoduje to, że światło z włókna wejściowego „przecieka” do wyjściowego. Intensywność „przeciekającego światła” określa strukturę deformacji powierzchni skóry.
Poprzez dociskanie w różnych punktach, mechanosensory są w stanie wskazać zmiany w przepływie fotonów, a naukowcy obliczyć, jak bardzo każda część materiału była rozciągana i odkształcana – propriocepcja rośnie wraz ze wzrostem liczby strategicznie rozmieszczonych czujników mechanicznych.
Podrap po plecach
Zarówno światłowody, jak i materiał poliuretanowy można modyfikować pod kątem czułości, rozdzielczości przestrzennej i dokładności. Na razie optyczna skóra nie jest zbyt wrażliwa, choć czuje ucisk dokładniej, niż skóra na naszych plecach. Ale..„ta miękka, funkcjonalna struktura może lokalizować deformację z dokładnością pozycjonowania submilimetrowego – podają autorzy badania.
Wiele światłowodów, które mierzą różne aspekty – ciśnienie, ból, temperaturę – może potencjalnie zostać osadzonych w tym samym kawałku materiału, dając robotom doskonalsze zmysły.
Jednym z problemów odkrycia jest skalowalność: z powodu utraty światła materiał jest ograniczony do określonego rozmiaru. Dlatego, póki jeszcze jest nierozwiązany, materiał może być stosowany w miejscach, które powinny być najwrażliwsze, na przykład opuszki palców i dłonie robotów.
Algorytm obliczy skręt
Naukowcy planują teraz zbadać możliwości zastosowania uczenia maszynowego w celu wykrywania bardziej złożonych deformacji, takich jak zginanie i skręcanie.
„Tworzę modele, aby obliczyć, gdzie dotknięta jest konstrukcja i ile razy jest dotykana” – mówi doktorantka Patricia Xu cytowana w informacji prasowej– „W przyszłości, kiedy będziemy mieć 30 razy więcej czujników rozmieszczonych na dodatek losowo, będzie to o wiele trudniejsze. Uczenie maszynowe zrobi to znacznie szybciej.”
Artykuł naukowy poświęcony nowej konstrukcji ukazał się we wrześniu. Jego współautorami są dr Anand Kumar Mishra, studenci Lillia Bai i Cameron Aubin oraz Letizia Zullo z Centrum Neuronauki i Technologii Synaptycznej z włoskiego Instytutu Technologicznego. Badania były wspierane przez granty Biura Badań Naukowych Sił Powietrznych i Narodowego Instytutu Zdrowia Stanów Zjednoczonych.