Для нас стало привычным, что роботы смогут видеть и слышать лучше человека. В зависимости от задач им дешёвы различные расширенные спектры восприятия, а эти для обработки довольно часто поступают от микрофонов и десятков камер. Наряду с этим с тактильной чувствительностью дела обстоят очень не имеет значение. Неестественная кожа, талантливая осязать, стала настоящим вызовом для экспертов в области робототехники. Серийно покрытия и ткани, сравнимые с людской кожей, не выпускаются до сих пор. Одновременно с этим последние вести из лабораторий выглядят очень обнадёживающе.
Первый сенсор с пьезо- и фотоэлектрическим эффектом, в один момент определяющий силу давления и рельеф поверхности (фото: Gary Meek).
Задача имитации людской восприятия при помощи электроники стала одной из самых сложных. Сейчас это основной камень преткновения кроме этого в создании совокупностей ИИ и разработке человеко-машинных интерфейсов. От роботов желают всё участия и большей универсальности в поисково-операциях по спасению.
Умение бережно обращаться с различными объектами требует стремительного определения характера их допустимого давления и поверхности на них. Одного дело – расчищать завал от строительного мусора, и совсем второе – извлекать из-под него раненых людей, часть из которых находится без сознания. Для первой задачи годится и бульдозер, но вторая подразумевает большую осторожность. Одними камерами тут не обойтись: роботу (либо оператору) нужно всегда чувствовать, что он держит в руках, и совершенно верно дозировать упрочнения.
Для чего ещё может потребоваться научить робота ощущать? В своё время ответ на данный вопрос изобразил живописец Франц Штайнер (Franz Steiner). Отыщем в памяти тут лишь одну из его известных картин.
Будущее роботов и людей (изображение: Франц Штайнер).
С проблемой отсутствия тактильной обратной связи неоднократно сталкивались и эксперты НАСА на протяжении управления марсоходами. По картине было тяжело выяснить темперамент поверхности планеты на грядущем участке пути. Марсоходы передвигали по сантиметрам, но всё равняется завязали в податливом грунте, а у «Спирита» по окончании очередной аварии выяснилось заблокированным колесо.
В общем случае передача тактильных ощущений требует разработке изготовления громадного массива датчиков с высочайшей чувствительностью, разрешающей малым и способностью временем возврата к исходному состоянию.
По окончании долгих опытов исследователи из Технологического университета Джорджии смогли создать сенсорное устройство, которое преобразует энергию не сильный механического давления напрямую в световые сигналы. Последние легко передать в любой прозрачной среде, зафиксировать на большом удалении и обработать по уже существующим в оптоэлектронике правилам.
Неспециализированная схема работы датчика давления (фото: Zhong Lin Wang).
Для первых прототипов достигнуто действенное разрешение в 2,7 микрона. В привычной пользователям графических планшетов терминологии это эквивалент 6 350 точек на дюйм. Сенсор пригоден для считывания папиллярного узора на подушечках пальцев и других микрорельефных структур.
Кроме анализа отпечатков пальцев, обработки рукописных автографов и других биометрических приложений, данный способ возможно использован в разработке новых микроэлектромеханических (MEMS) схем самого различного назначения. Самый актуально стоит задача имитации осязания для кожи роботов. Полученная для прототипа чувствительность уже сравнима с такой у человека.
Ранее в рабочих прототипах неестественной кожи была достигнута свободная обработка сигналов от микродатчиков, размещённых на расстоянии приблизительно двух–трёх миллиметров. Компания Syntouch уже изготавливает такие чувствительные пальцы серии BioTac для манипуляторов роботов. Они реагируют на температуру поверхности и различают более чем ста разных текстур. Из-за довольно низкой плотности размещения чувствительных элементов “ощупывание” иногда занимает большое время. Дабы приблизиться к средним показателям кожи человека, требовалось повысить разрешение до 50 мкм – другими словами в шестьдесят раз.
До сих пор главные упрочнения исследователей были сосредоточены на разных вариантах сопротивления малых и изменения ёмкости участков цепи, в качестве которых выступали нанопровода, органические транзисторы либо многослойные конструкции с пьезоэлектрическим эффектом.
“Компьютерра” уже писала в прошедшем сезоне о достижениях исследовательской группы Национального университета Республики Корея. Созданная ими неестественная кожа со множеством полимерных волосков также считалась более чувствительной, чем людская. Но обращение шла лишь о регистрации самого факта прикосновения, без распознавания его детальных черт. Сканирование папиллярных других микрорельефов и линий с её помощью было бы нереально.
Неестественная кожа с чувствительными полимерными волосками (фото: Rachel Nowak).
Значительно дальше продвинулись учёные из Стэнфордского университета. В группе под управлением Чженань Бао был создан эластичный материал, в один момент делающий роль эластичной солнечной панели и датчика прикосновений. Тактильная чувствительность добавлялась за счёт микротранзисторов, регистрирующих трансформации силы тока.
Созданный в Технологическом университете Джорджии сенсор продолжает это направление, додавая компоненты оптоэлектроники для простоты одновременной регистрации сигналов. Он является массивом нанопроводов из оксида цинка, упорядоченно размещённых на узкой плёнке. Для сохранения своеобразного узора укладки пространство между проводами заполнено полиметилметакрилатом (оргстеклом). Неспециализированный электрод на верхней части массива формируется прозрачным слоем оксида олова и индия.
Устройство датчика давления (фото: Zhong Lin Wang).
Любой 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, тогда как несжатые проводники владеют нулевым потенциалом.
В следствии работы сенсора создаётся электронная карта распределения механического давления. Она выполняется при помощи параллельного считывания электролюминесцентных сигналов от всех пикселей, время перезарядки которых образовывает около 90 мс. Иными словами, таковой неестественной кожей распознаются не только простые единичные и множественные касания, но и вибрация с частотой до 11 Гц.
По итогам тестов на стабильность сенсор продемонстрировал прекрасные результаты. Отклонения уровней сигналов двадцати тысячи пикселей опытного образца не превышали пяти процентов в серии из двадцати пяти опытов.
Применяемые сенсоры обеспечат бионики и развитие робототехники. Чувствительные неестественные конечности необходимы не только роботам, но и людям, лишившимся собственных. Кроме этого сенсоры будут содействовать созданию новых человеко-машинных интерфейсов и отыщут широкое использование в сфере безопасности.