Представьте, что вы проводите пальцем по поверхности американской монеты в один цент. Вы ощущаете рельеф букв и цифр, профиль Авраама Линкольна с бородой, а если перевернуть монету, то увидите колонны Мемориала Линкольна. Задача заставить робота чувствовать то же самое — непростая, требующая сбора данных о давлении и силе в нескольких точках одновременно. Однако именно это удалось сделать команде ученых из Европы, использовав необычную, цветную роботизированную кожу, обеспечивающую высокое разрешение сенсоров в реальном времени.

Инновационный подход к тактильным ощущениям

Рич Уокер, директор компании Shadow Robot, отмечает, что когда ему показали эту технологию, он был впечатлен: "Честно говоря, когда нам это показали, мы подумали, что это, извините за выражение, чертовски круто, потому что это совершенно другой подход". Команда исследователей из Королевского колледжа Лондона, Университета Флоренции, Университета Триеста и Университета Тренто разработала роботизированный кончик пальца с синтетической кожей, которая отражает разные цвета света в ответ на механическую деформацию. Чтение света, отраженного от кожи, позволяет кончику пальца генерировать карты топологии, деформации и контактного давления.

Технология, стоящая за сенсором

Идея сенсора принадлежит Джакомо Сассо, постдокторанту в лаборатории Федерико Карпи. Он наткнулся на интересную статью в журнале Nature, описывающую "механохромный материал", который в конечном итоге стал основой отражателя в коже. Сассо использовал лазер мощностью 5 мегаватт и длиной волны 635 нанометров (красный) для полимеризации светочувствительной пленки, создавая слои с различными показателями преломления. Эта структура называется отражателем Брагга, и именно она позволяет сенсору реагировать на деформацию.

Как работает роботизированный палец

В роботизированном пальце отражатель Брагга помещен между защитным слоем силикона и прозрачным кончиком пальца, в который встроены камера и светодиод. Свет от светодиода проходит через полимер, и когда кончик пальца деформируется при контакте с объектом, отражатель возвращает свет обратно к камере, меняя длину волны в зависимости от уровня деформации — от красного для минимальной деформации до синего для максимальной. После оптимизации сенсор обеспечил разрешение в 100 микрометров без вычислительной задержки.

Проблемы и перспективы

Человеческая кожа воспринимает разнообразную тактильную информацию, включая температуру, текстуру, давление и вибрацию. Однако создание робота, способного на это, сталкивается с трудностями из-за пространственных ограничений. Часто в кончике пальца недостаточно места для нескольких типов сенсоров, что ставит вопрос: какой сенсор выбрать? "Ответ на этот вопрос... действительно сложен. Никто не знает", — говорит Уокер. Тем не менее, команда Карпи предлагает новый вариант для экспериментов. Хотя они не первые, кто использует мягкие материалы для тактильного восприятия, их технология уникальна тем, что может извлекать количественную информацию о глубине и размере объектов.

Вызовы для мягких сенсоров

Майкл Ванг, соучредитель и главный научный сотрудник Daimon Robotics, подчеркивает, что мягкие материалы часто сталкиваются с проблемами долговечности. "Практические и полезные преимущества, особенно в контексте роботизированных рук, еще предстоит протестировать и подтвердить", — говорит он. Сассо добавляет, что благодаря защитному слою силикона, отражатель не контактирует напрямую с объектами, что снижает риск повреждения.

Будущее технологии

Команда уже ведет переговоры с компаниями, которые могут применить новый сенсор. Они также надеются улучшить сенсор, чтобы он мог обнаруживать объекты, которые не лежат на поверхности, что откроет новые возможности, например, в хирургических инструментах, требующих точной карты контакта с тканями и органами. "Мы ожидаем значительных разработок с ясным путем к переходу к реальным приложениям", — заключает Карпи.