Ученые Кембриджского университета представили новый тип роботизированной кожи, который может изменить принципы взаимодействия машин с людьми и окружающей средой.
Разработка, описанная в журнале Science Robotics, приближает нас к созданию машин, способных осязать и чувствовать, открывая двери для более интуитивного взаимодействия человека с роботами и новых применений в робототехнике.
«Использование разных сенсоров для различных типов тактильных ощущений приводит к созданию сложных в производстве материалов», — пояснил в пресс-релизе ведущий автор исследования, доктор Дэвид Хардман из инженерного факультета Кембриджа. «Мы хотели разработать решение, способное одновременно распознавать множество типов касаний, но в рамках единого материала».
Долгое время ученые считали человеческую кожу эталоном для создания чувствительных роботизированных систем. Наша кожа невероятно универсальна: она способна воспринимать давление, температуру, текстуру и даже повреждения.
Однако воспроизвести эту сложность в искусственных материалах до сих пор было серьезной проблемой. Традиционные решения, основанные на микроэлектромеханических системах (МЭМС), сталкивались с рядом трудностей, включая сложность соединения мягких и жестких слоев, а также проблемы с электрическими помехами.
Кембриджские исследователи предложили инновационное решение этих давних проблем, разработав новый тип роботизированной кожи из однослойного гидрогеля, который исключительно чувствителен к условиям окружающей среды и физическому контакту.
Ключевая особенность этой кожи заключается в ее уникальной конструкции. Используя методы электрической импедансной томографии (ЭИТ), команда создала более 863 000 проводящих путей в гидрогелевой мембране.
Эти пути способны распознавать как минимум шесть различных типов стимулов — от прикосновения человека до повреждений, многоточечного изолированного давления и локального нагрева. Такая мультисенсорная способность означает, что кожа может не только «чувствовать» физический контакт, но и оценивать факторы окружающей среды и реагировать на них — почти как человеческая кожа.
Потенциал этой технологии выходит далеко за рамки робототехники и искусственного интеллекта. Благодаря возможности определять изменения температуры, давления и касаний, роботизированная кожа может революционизировать протезирование, экзоскелеты и носимые медицинские устройства, предлагая пользователям более комфортные, функциональные и отзывчивые решения.
Например, протезы конечностей станут более интуитивными, предоставляя пользователям сенсорную обратную связь в реальном времени, что облегчит выполнение повседневных задач, таких как удержание предметов или ощущение текстур.
Исследователи также изучили, как гидрогелевую кожу можно формовать и применять на практике. В одном из впечатляющих экспериментов команда придала гидрогелю форму человеческой руки. Эта реалистичная модель продемонстрировала способность кожи чувствовать прикосновения и отслеживать положение объектов, а также намекнула на ее потенциал в мониторинге окружающей среды.
Кожа в форме руки могла точно определять место прикосновения, ощущать положение тела и даже реагировать на окружающую среду, имитируя сенсорные функции человека. В будущем это может привести к созданию протезов, позволяющих людям двигаться более естественно и взаимодействовать с миром привычным и интуитивным образом.
Ученые применили инновационный подход на основе данных, чтобы определить, какие сенсорные пути следует активно отслеживать. Сосредоточившись на наиболее важных сигналах, они сделали систему более эффективной, избежав обработки избыточной информации. Эта способность фильтровать и организовывать сенсорные данные в реальном времени открывает путь к созданию более умных и отзывчивых систем, делая технологию настоящим прорывом в функциональности и практическом применении.
Гибкость материала означает, что его можно использовать не только в робототехнике, но и в медицинской диагностике, носимых устройствах и экологическом мониторинге. Ученые уже исследуют, как можно усовершенствовать гидрогелевую кожу и адаптировать ее для новых областей.
Пока исследователи работают над внедрением технологии в реальные устройства, ключевыми задачами остаются масштабирование производства и повышение долговечности. Материал должен стать более устойчивым к повседневным нагрузкам. Также ученые надеются расширить сенсорный диапазон кожи, чтобы она могла распознавать еще больше типов стимулов, обеспечивая более детальную картину окружающего мира.
Тем не менее, благодаря этому прорыву мы можем увидеть совершенно новые типы роботов и устройств, обладающих тактильной чувствительностью, сравнимой с человеческой кожей.
Роботы с настоящим чувством осязания могут значительно улучшить взаимодействие в таких областях, как медицина, где важны точные и аккуратные движения. Например, хирургические роботы, оснащённые такой «кожей», смогут определять силу давления на ткани, помогая хирургам работать с большей точностью и осторожностью.
В сфере потребительских технологий носимые устройства также сделают большой шаг вперёд: они смогут не только отслеживать показатели здоровья, но и реагировать на прикосновения и давление, создавая более интерактивный и вовлекающий пользовательский опыт.
Кроме того, это исследование имеет значение для искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения. Поскольку роботизированная кожа собирает огромные массивы сенсорных данных, их можно использовать для обучения ИИ-систем, которые смогут лучше понимать и предсказывать человеческое поведение.
«Мы можем извлекать много информации из этих материалов — они способны быстро выполнять тысячи измерений», — объяснил доктор Хардман. «Они одновременно фиксируют множество параметров на большой площади».
Представьте робота с такой сенсорной кожей. Он сможет улавливать мельчайшие детали — например, силу рукопожатия или тепло человеческой руки — и мгновенно корректировать свои действия. Эта технология может открыть путь к созданию роботов, которые взаимодействуют с людьми более интуитивно и эмпатично, лучше адаптируясь к человеческим потребностям.
В конечном итоге, этот прорыв в создании гидрогелевой кожи для роботов — важный шаг к разработке машин, которые будут более чуткими и отзывчивыми, а их взаимодействие с миром станет чуть более «человеческим».
«Пока наша искусственная кожа не так совершенна, как человеческая, но мы считаем, что она превосходит все существующие аналоги», — сказал соавтор исследования доктор Томас Джордж Турутель. «Наш метод гибкий, его проще реализовать, чем традиционные сенсоры, и мы можем калибровать его с помощью человеческого прикосновения для различных задач».
Комментарии (2)