BioTac - czujnik, który odtwarza zmysł dotyku

Opracowany przez badaczy amerykańskich czujnik BioTac ze swoimi elektrodami i wykrywaczami imituje czubek palca. Połączony z programem komputerowym, może czuć ciepło i zimno, określać teksturę oraz formę powierzchni albo przedmiotu. Jest to wynalazek, który otwiera drogę w kierunku protez kończyn górnych nowego rodzaju, ale który jest używany również do tworzenia robotów przemysłowych. Dotyk jest jednym z najbardziej złożonych zmysłów, dlatego tak ciężko go odtworzyć w robotyce.

Dwaj naukowcy z Viterbi School of Engineering przy University of Southern California opublikowali badanie pokazujące w jaki sposób robot wyposażony w dotykowe czujniki jest w stanie precyzyjnie identyfikować teksturę danego materiału. Precyzja tego dotyku jest w niektorych przypadkach większa od precyzji dotyku ludzkiego.

Gerald Loeb, specjalista od inżynierii biomedycznej oraz Jeremy Fishel, doktorant z University of Southern California, przedstawiają projekt swojego robota, nazwanego BioTac, wyprodukowanego we współpracy z firmą SynTouch LLC. W swojej formie i teksturze, BioTac imituje końcówkę palca ludzkiego.

Jego struktura jest zrobiona z powłoki w której umieszczono wiele rodzajów różnych czujników – ciepła, nacisku – oraz elektrod. Czujniki i elektrody służą do zbierania informacji.

Struktura ta jest pokryta powłoką z silikonu, która symuluje skórę odtwarzając mikrowyżłobienia linii papilarnych. Między powłoką podstwową oraz skórą silikonową, elektryczny płyn przewodzący pełni rolę interfejsu.

Rezultat? BioTac będzie sobą przedstawiać właściwości mechaniczne oraz zdolności sensoryczne palca ludzkiego. Kiedy palec ten wejdzie w kontakt z przedmiotem zewnętrznym, skóra czujnika się odkształci i sprawi, że płyn przewodzący będzie krążył wokół elektrod.

Efekt wywierany na różne czujniki pozwala określić punkt kontaktu, magnitudę, kierunek oraz kształt przedmiotu.

- Posługujemy się czujnikami termicznymi i termistorami, aby wykryć temperaturę. Jesteśmy w stanie określić, że metal jest zimniejszy niż drewno - wyjaśnia Jeremy Fishel.

Aby wykryć temperaturę przedmiotu, system musi posługiwać się ciepłem uwalnianym przez urządzenia w czujniku, aby podgrzać palec powyżej temperatury otoczenia, tak jak to się dzieje w przypadku palca ludzkiego. Termistor (półprzewodnik), który biegnie pod skórą silikonową, zmierzy różnice temperatur między powierzchnią czujnika a tempertaturą przedmiotu i wydedukuje, czy przedmiot jest ciepły czy zimny.

Kiedy palec robota pociera powierzchnię, mikrowyżłobienia powłoki produkują wibracje, które są rejestrowane przez czujnik nacisku. Pozwala to systemowi na rozróżnianie z wielką precyzją niuansów między różnymi teksturami. To jednak nie wszystko, bowiem robot BioTac może rozpoznawać również kształty.

- Przeprowadziliśmy badania, które pokazują, że możemy rozpoznawać kształty po ich brzegach, kątach, powierzchniach płaskich, a nawet zakrzywieniach - kontynuuje Jeremy Fishel.

Zebrane w ten sposób informacje muszą być jeszcze interpretowane, żeby można się było nimi posłużyć. Na tym aspeckcie skupili się dwaj naukowcy amerykańscy.

W procesie dotyku ludzie badają dany przedmiot posługując się pewnymi ruchami, określonymi przez doświadczenia z przeszłości. Z każdego ruchu wynika informacja, która decyduje o tym, jaki ruch będzie następny, aby zebrać inną informację, itd., do momentu, aż zbierzemy wystarczającą ilość danych na temat danego przedmiotu.

Algorytm związany z BioTac naśladuje to empiryczne podejście określając, jaki jest kolejny ruch do wykonania.

W przypadku robota, proces dotyku wygląda następująco: gromadzi on w pamięci tekstury i właściwości przedmiotów spotkanych wcześniej. Kiedy napotyka na teksturę nieznaną, zaczyna korzystać ze swojej pamięci, aby znaleźć poziom podobieństwa z tym, czego właśnie dotyka. Informacja ta następnie jest używana do określenia kolejnego ruchu.

- Proces selekcji ruchów oraz porównania z pamięcią jest powtarzany do tego momentu, dopóki robot nie osiągnie 99% pewności - opowiada Jeremy Fishel.

Do doświadczenia, naukowiec opracował robota, który ma w pamięci 117 różnych tekstur pochodzących z najpowszechniejszych materiałów. Średnio, potrzebuje zaledwie 5 ruchów, aby rozpoznać daną teksturę z 95,4% powodzenia.

Jakie zastosowanie?

Firma SynTouch LLC sprzedaje swoje czujniki BioTac od około roku nie tylko innym badaczom, ale również producentom robotów przemysłowych. Co ciekawe,  firma pracuje również nad protezami ręki, której palce byłyby wyposażone w ten czujnik.

Wyzwanie polega na tym, iż trzeba jeszcze dopracować zastosowany algorytm, jak też opracować system zdolny do odsyłania wrażeń nosicielowi takiej protezy przy pomocy wibracji, siły nacisku, temperatury.

- Wyobraźcie sobie sytuację, kiedy wasze ręce z zimna praktycznie zesztywniały. Nawet wasze mięśnie nie funkcjonują. Nie jesteście w stanie nic wziąć do ręki, wszystko się wyślizguje, nie jesteście w stanie zidentyfikować czego dotykacie, jakbyście byli sparaliżowani. Dodając dotyk do protezy ręki, możemy w końcu pokonać ten problem - mówi Gerald Loeb.