Новая система электронной кожи Мюнхенского технического университета

Новая система электронной кожи Мюнхенского технического университета

Выпуск 11 (6710) от 11 июня 2020 г.
РУБРИКА: РОБОТОТЕХНИКА

Одним из перспективных направлений развития робототехники является совершенствование форм взаимодействия робота с человеком и окружающей средой. В этом плане большое значение имеет тактильность, обеспечиваемая электронной кожей. Недавно немецкие специалисты представили результаты последних исследований в этой области.

Исследователи Мюнхенского технического университета (TUM, ФРГ) недавно разработали электронную кожу, которая может помочь воспроизвести человеческое чувство осязания у роботов. В статье, опубликованной в журнале Sensors MDP, утверждается, что новая электронная кожа требует гораздо меньших вычислительных мощностей по сравнению с ранее созданными образцами и, таким образом, может применяться на большей поверхности корпуса робота.

Главная мотивация при разработке электронной кожи заключается в стремлении лучше понять взаимодействие человека с окружающей средой. Хотя люди большую часть информации об окружающей их среде в основном получают зрительно, как только дело доходит до физических контактов, на первое место выходит чувство осязания. Исследователи TUM полагают, что оснащение роботов чувством осязания может расширить диапазон взаимодействий между ними и людьми, делая роботов более совместными, безопасными и эффективными.

Разработки по тематике электронной кожи в TUM ведется уже около десяти лет. Первоначально попытки были сосредоточены на реализации системы электронной кожи с многофункциональной сенсорикой, напоминающей функционирование кожи человека. Другими словами, исследователи пытались создать искусственную кожу, которая могла бы ощущать легкое прикосновение, давление, температуру и вибрации, в то же время эффективно определяя все места, где происходили тактильные взаимодействия. Люди могут различать не только разные виды прикосновений, но и то, где они происходят. В дополнение к воспроизведению этой способности, система электронной кожи должна выдерживать физическое напряжение, создаваемое контактами, обладать возможностью масштабирования и поддерживать легкость интеграции с поверхностью корпуса робота.

Новая система электронной кожи состоит из шестиугольных сенсорных модулей. Каждый из этих модулей имеет размер примерно с монету в 2 евро. При их соединении образуются гибкие кусочки или участки искусственной кожи, которые можно прикрепить к поверхностям различной формы.

В ходе предшествующих исследований было выявлено, что создававшиеся образцы электронной кожи, применимые на больших площадях поверхности, сталкиваются со значительными ограничениями с точки зрения объемов сенсорной информации, которую они могут обнаружить одномоментно. Новая система электронной кожи, разработанная в TUM, сохраняет расширенные возможности восприятия, не требуя значительных вычислительных мощностей.

Традиционная обработка информации приводит к неприемлемо высоким требованиям к вычислительной мощности, высоким энергопотреблению и скорости передачи информации, потере и задержке передачи информации. В тоже время человеческий организм без особых усилий обрабатывает тактильную информацию, собранную примерно 5 млн рецепторов кожи. В рамках своей последней работы специалисты TUM задались вопросом: «Как тело человека достигает таких возможностей и как можно использовать данные нейробио-логии для смягчения ограничений систем электронной кожи?»

Рецепторы на коже человека, как правило, остаются неактивными, пока не обнаружат какое-либо изменение: давления, прикосновения, температуры или вибрации, – ​то есть они не отправляют информацию в мозг непрерывно. При обнаружении изменений они дают сигнал, попадающий в мозг через нервные волокна. В результате этого процесса человеческая кожа обеспечивает мозг только новой информацией, связанной с прикосновением. Ученые TUM глубоко изучили этот биологический процесс и попытались воспроизвести его в своей системе электронной кожи. В их системе каждая клетка «кожи» контролирует свои датчики, выявляющие изменения. Если обнаружено достаточно большое изменение (изменения), ячейки передают новую информацию на компьютер, если изменений нет, ячейка переходит в спящий режим. Такой режим работы позволяет значительно снизить требования к вычислительной мощности.

Разработанная в TUM система электронной кожи является масштабируемой, эффективной и гибкой. Первоначальные испытания показали, что она может обрабатывать поток информации, связанной с прикосновениями, в системах с большой площадью поверхности, не требуя специального оборудования и используя только стандартные компьютеры. В ходе экспериментов исследователи TUM покрыли своей электронной кожей почти весь корпус робота H1 размером с человека (см. рисунок). Для этого было использовано 1260 клеток электронной кожи, в которой содержалось более 10 тыс. датчиков. Ранее такого не делалось.

Робот H1 работает автономно, только с бортовыми системами. Покрытие его клетками электронной кожи стало возможным только благодаря преимуществам новой системы кожи, вычислительная нагрузка которой, благодаря использованным новинкам, снизилась примерно на 80%. Более традиционная электронная кожа полностью загрузила бы своими потребностями все системы H1, результатом чего стали бы задержки в работе и постоянная потеря информации (примерно на 25%).



Источник: Мюнхенский технический университет

Робот H‑1, покрытый электронной кожей, разработанной в Мюнхенском техническом университете.


В будущем высокоэффективная электронная кожа сможет обеспечить появление множества разнообразных роботов с улучшенными сенсорными возможностями. Помимо повышения безопасности взаимодействия человека с роботом (что может быть особенно ценно в промышленных или медицинских учреждениях) клетки электронной кожи можно использовать для разработки новых технологических инструментов, таких как чувствительные к прикосновению протезы, умные предметы или костюмы, насыщенные датчиками.

После решения проблемы обработки тактильной информации электронной кожей большой площади исследователи TUM намерены изучить вопросы масштабирования, то есть уменьшения размеров клеток кожи, и таким образом, достичь более высокой чувствительности. Робот H1 с большой площадью электронной кожи дает возможность исследовать взаимодействия человека с роботом и контролировать весь корпус андроида. Еще одним интересным направлением исследований может стать изучение тактильной информации, воспринимаемой благодаря внесенным в электронную кожу усовершенствованиям. Это, в свою очередь, позволит улучшить алгоритмы восприятия и управления.


Fadelli Ingrid. A Highly Performing and Efficient E-Skin for Robotic Applications, Tech Xplore, April 29, 2020: https://techxplore.com/news/2020–04-highly-efficient-e-skin-robotic-applications.html


ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ