Мир – это трогательно… Тактильная система для роботов.

Новая эластичная гибридная электронная оболочка для робототехники в руках профессора Наньшу Лу. Источник.

Робототехника развивается семимильными шагами. Мы как обыватели видим лишь верхушку айсберга в виде наших бытовых приборов ‒ снующих пылесосов, кухонных комбайнов, доставщиков, ‒ но в кулуарах технологических инноваций существуют гораздо более серьёзные достижения. Конечно, пока не всё удаётся, и создание полноценного человекоподобного андроида из фантастических фильмов или романов ‒ дело всё ещё довольно далёкого будущего, однако с каждым открытием или новым инженерным решением мы всё ближе к заветным фантастическим мирам.

Одной из задач, решение которых напрямую связано с «очеловечиванием» машин, выступает довольно простое техническое действие ‒ точное измерение давления. Мы, вроде бы, давно умеем это делать и регулярно практикуем ‒ во время подкачки шин автомобилей, проверки прочности бетона на сжатие или самолётных крыльев на излом. Однако сегодняшнему технологическому прогрессу этой точности недостаточно, а ведь она имеет решающее значение во многих инженерных, производственных и исследовательских направлениях. Например, в мягкой робототехнике, биомиметике и биосенсорике, а также многих других областях, где поверхности подвержены нагрузкам растяжения, сдавливания, скручивания и другим видам деформаций, погрешности существующих методов измерения оказываются слишком велики.

Несмотря на значительный прогресс как в области применяемых материалов, так и в сфере конструкционных инноваций, благодаря которым мы уже можем изготавливать растягиваемые датчики давления, всё ещё сохраняется одна серьёзная проблема. Универсальность этих датчиков, обусловленная чувствительностью к растяжению в плоскости с одной стороны и к давлению вне плоскости ‒ с другой, довольно сильно снижает достоверность их показателей при одновременном растяжении и давлении.

Эта фундаментальная проблема измерения стала своего рода камнем преткновения между электронной кожей, которой уже создано несколько видов, специализированных для разных сфер применения, и действительным применением этих разработок с покрытием ими механических роботизированных устройств. Но сегодня мы наконец-то можем говорить о хотя бы частичном решении этого вопроса.

Учёные Техасского университета в Остине создали эластичную электронную кожу, наиболее приближенную к человеческой по таким основополагающим показателям, как мягкость и чувствительность к прикосновениям. Это покрытие для робототехники позволит ей выполнять новые задачи, которые ранее можно было доверить лишь человеку. Теперь действия роботов будут обладать куда большой точностью и лучшим контролем приложения сил и нагрузок к различным объектам производимых манипуляций.

Исследователи считают, что их разработка ‒ тот самый способ преодолеть основное «узкое место» в технологиях искусственной кожи для робототехники, который наука уже давно искала. В статье об исследовании, опубликованной в журнале Matter, авторы показывают, что новая версия электронного покрытия не теряет точности восприятия по мере растяжения материала.

«Подобно тому, как человеческая кожа должна растягиваться и изгибаться, приспосабливаясь к нашим движениям, так и электронная кожа должна растягиваться, ‒ поясняет руководитель проекта Наньшу Лу, профессор кафедры аэрокосмической инженерии и инженерной механики Инженерной школы Кокрелла. ‒ Независимо от того, насколько сильно растягивается наша электронная кожа, реакция на давление не меняется, и это значительное достижение».

Итак, новое покрытие является технологическим решением определения давления при его контакте с поверхностью другого предмета. Данные о таком взаимодействии от контроллеров электронной оболочки постоянно передаются в устройство-оператор, которое их анализирует и в режиме мгновенного отклика регулирует усилие, которое устройство-манипулятор, снабжённое ⅇ-кожей, прилагает сообразно целевым параметрам задачи. Например, чтобы взять чашку или прикоснуться к человеку.

Мягкие датчики давления, являющиеся центральным компонентом ⅇ-кожи, были предметом обширных исследований на протяжении десятилетий. Среди различных их типов, включая пьезорезистивные, пьезоэлектрические, трибоэлектрические, ионные, оптические и магнитные, большую популярность среди инженеров приобрели ёмкостные датчики давления (CPSS) ‒ их высокая чувствительность, превосходная повторяемость и стабильность, мягкость и простота конструкции позволили им закрепиться на первых местах условного рейтинга внутри технологии электронных оболочек.

Последние достижения в мягких CPSS характеризуются более высокими уровнями чувствительности, демонстрируют более широкие диапазоны восприятия и линейный отклик, прозрачность и незаметность при ношении человеком. Однако точное считывание давления при растяжении так и не доступно в полной мере.

Недочёты предшествующих новинке разработок заключаются в электронном шуме, который возникает при разнонаправленных нагрузках во время растяжения. Учитывая, что целью технологии поставлено достижение той же чувствительности, какая свойственна, например, человеческому пальцу, диапазон допустимых погрешностей измерений сужается до чрезвычайности. Возникающее же зашумление искажает способность датчиков воспринимать давление, что неминуемо сказывается на точности и скорости выполнения задачи: преувеличенное приложение силы манипулятора и запоздавшая реакция оператора могут испортить объект воздействия.

Надувные «пальцы» ‒ экспериментальные захваты на базе эластичной чувствительной электронной кожи. Источник.

В рамках экспериментального исследования своей модификации растягивающейся чувствительной к давлению электронной оболочки, учёные создали на её основе надувные щупы и захваты, которые могут изменять форму для выполнения различных тактильных задач. Например, обёрнутый кожей щуп использовался для точного измерения человеческого пульса и пульсовых волн, а соответствующим образом приспущенные захваты позволяют удерживать стакан и не ронять его, даже если внутрь опустить монету. Устройство также продемонстрировало деликатность в нажатии на хрустящую оболочку тако (традиционное блюдо мексиканской кухни), не ломая её.

Ключом к этому успеху стал инновационный растягиваемый гибридный датчик давления (SHRPS), над которым Лу и её коллеги работали в течение многих лет. Слово «гибридный» в названии разработки означает, что новинка сумела объединить в себе решения предыдущих технологий. В то время как обычные электронные оболочки могут быть ёмкостными или резистивными, электронная кожа гибридного реагирования откликается на давление обоими способами, каждый из которых обладает своими плюсами и минусами, проявляющимися в различных ситуациях. Такое, на первый взгляд, простое усовершенствование датчиков в сочетании с тянущимися изоляционными материалами и электродами сделало эту инновацию возможной.

Лу и её команда сейчас работают над потенциальными применениями своей ⅇ-кожи. В сотрудничестве с Роберто Мартин-Мартином, доцентом кафедры компьютерных наук Колледжа естественных наук, они занимаются созданием полноценной роботизированной руки, оснащённой этой «трогательной» оболочкой. Рассматривая эластичную электронную кожу в качестве важнейшего компонента её конструкции, который наделяет робо-руку человеческим уровнем мягкости и чувствительности при прикосновении, команда Лу прочит своему детищу множество областей использования. Особенно ‒ в сфере медицинской помощи, являющейся сегодня исключительно человеческим поприщем: здесь такие роботы могли бы проверять пульс, вытирать пациента и наносить мази, массировать определённые мышцы или части тела.

Домашний робот ‒ будь то имитация «медсестры», «физиотерапевта» или более простое роботизированное устройство-массажёр ‒ помог бы множеству людей (если не всем) облегчить переносимость перманентных изменений в организме, вызванных старением. Забота и уход, в которых нуждаются миллионы людей по всему миру, превышают возможности глобальной медицинской системы, и предложенные командой идеи действительно могут изменить ситуацию к лучшему.

«В будущем, если у нас будет больше пожилых людей, чем доступных сиделок, это приведёт к кризису мирового уровня, ‒ считает профессор Лу. ‒ Нам нужно найти новые способы эффективного и бережного ухода за людьми, и роботы являются важной частью этой головоломки».

Помимо ухода за больными в стенах медучреждений или на дому, соответствующие роботы очень пригодятся при стихийных бедствиях. Помимо участия в поисках пострадавших, оказавшихся в ловушке во время землетрясения или обрушения здания, такие машины могут стать лучшей альтернативой при оказании помощи на месте. Вспомним, например, случай 2018 года, когда в китайской провинции 30 врачей в течение пяти часов продлевали жизнь ребёнку в ожидании помощи из Шанхая, делая искусственное дыхание с непрямым массажем сердца. Специалисты выстроились в очередь, и сменяли друг друга по мере усталости. На каждого из них в среднем пришлось около 1000 нажатий. Слава всем богам в белых халатах, ребёнка тогда спасли; и это был, хоть и один из самых показательных, но далеко не единственный такой случай.

Однако, что было бы, если б дело происходило во время ЧС? Отвлеклись бы эти 30 человек от спасения многих ради спасения одного? Вопрос риторический. Но теперь у нас появился шанс не только не отвечать на него, но даже и не задавать. Новая кожа позволяет создать неустанного реаниматолога, который сможет работать сколь угодно долго, передавать данные о показателях пациента в контрольный пункт медслужбы ЧС и при необходимости вызвать конкретного специалиста на место.

АРМК, по материалам Техасского университета в Остине.