مهندسان رباتیک مدت‌هاست رویای ساخت ماشین‌هایی را در سر دارند که بتوانند بدون ترکاندن پوسته، یک تخم‌مرغ را بردارند یا بدون حس مصنوعی، دست کسی را بفشارند. با این حال، بیشتر ربات‌ها همچنان جهان را نه از طریق حس، بلکه با محاسبات عددی درک می‌کنند.
اکنون با توسعه یک «پوست» ژلاتینی کشسان، این شکاف در حال پر شدن است. این پوست سطح یک دست رباتیک را می‌پوشاند و کل سطح آن را به یک حسگر تبدیل می‌کند.
دکتر دیوید هاردمن از دانشگاه کمبریج به همراه همکارانش در کالج دانشگاهی لندن (UCL) اعلام کرده‌اند که این ماده می‌تواند اطلاعات لمسی را با هزینه‌ای بسیار پایین ثبت کند.
چرا ربات‌ها باید حس لمس داشته باشند؟
بدون حس، دست رباتیک چیزی جز یک گیره نیست
در بسیاری از انبارها یا باغ‌ها، ربات‌ها اغلب فقط به دوربین‌ها تکیه می‌کنند. این مسئله باعث می‌شود اشیای نرم یا نامنظم را به‌سختی بردارند، که مانعی برای استفاده گسترده در محیط‌هایی است که سرعت و ایمنی اهمیت دارد.
مزایای داشتن حس لمس در پروتزها
پوست الکترونیکی انعطاف‌پذیر شبیه به پوست انسان، سال‌هاست که در حال بررسی است. اما بسیاری از طرح‌های گذشته یا به‌راحتی پاره می‌شوند یا وابسته به ده‌ها حسگر ظریف و شکننده هستند. افزودن حس لمس قابل‌اعتماد نه‌تنها برای ربات‌ها، بلکه برای پروتزهای پیشرفته نیز مفید است. کاربران دست‌های بیونیک گزارش داده‌اند که حتی یک حس فشاری نسبی باعث می‌شود کارهایی مثل بستن بند کفش راحت‌تر شود.
چالش انتخاب مواد مناسب
بنابراین، مهندسان به‌دنبال موادی هستند که طبیعی به نظر برسند، سیگنال‌های الکتریکی را منتقل کنند و در برابر ضربه‌ها و استفاده روزمره مقاوم باشند.
پوست ارزان با حسگرهای بلادرنگ
ساختار و عملکرد پوست الکترونیکی
پوست ساخته‌شده در کمبریج و UCL از یک هیدروژل ژلاتینی تهیه می‌شود که با نمک رسانا ترکیب شده است. این ترکیب نرم ذوب می‌شود، در قالبی به شکل دست ریخته شده، و روی یک دست رباتیک معمولی قرار می‌گیرد.
خواندن سیگنال‌ها با توموگرافی امپدانس الکتریکی
این سیستم از فیزیکی مشابه دستگاه‌های تصویربرداری پزشکی بهره می‌گیرد: توموگرافی امپدانس الکتریکی (EIT). سی و دو الکترود مسی در مچ، جریان‌های کوچکی را وارد می‌کنند و الگوهای ولتاژ عبوری از بیش از ۸۶۰ هزار مسیر میکروسکوپی در ژل را اندازه‌گیری می‌کنند.
دکتر هاردمن می‌گوید: «ما می‌توانیم اطلاعات زیادی از این مواد استخراج کنیم – آن‌ها قادرند هزاران اندازه‌گیری را به‌سرعت انجام دهند.»
این هیدروژل می‌تواند تا زاویه ۹۰ درجه خم شود و پس از برش و اتصال مجدد، بازسازی شود؛ ویژگی‌ای که در نسل جدید پوست‌های الکترونیکی خودترمیم‌گر نیز دیده می‌شود.
میلیون‌ها داده، چه چیزی را نشان می‌دهند؟
آزمایش‌های آزمایشگاهی
در آزمایش‌ها، این دستکش توانست لمس ملایم‌تری از وزن یک سکه را تشخیص دهد و یک نقطه داغ با دمای ۲۴۸ درجه فارنهایت را در کمتر از یک ثانیه شناسایی کند.
نقش یادگیری ماشین در تحلیل داده‌ها
برای استخراج معنا از این حجم عظیم داده‌ها، محققان از یادگیری ماشین استفاده کردند. الگوریتم طراحی‌شده، مسیرهایی را که در برابر محرک‌های خاص تغییر بیشتری دارند، شناسایی می‌کند. این قابلیت به سیستم امکان می‌دهد که مثلاً بین یک برش و فشار چندنقطه‌ای با دقت ۹۶ درصد تمایز قائل شود.
در تحقیقات پیشین نیز کاهش انتخابی داده‌ها باعث بهبود وضوح در پوست‌های EIT نرم شده بود.
آموزش دست برای تفسیر لمس
دقت بالا در تشخیص لمس
طرح‌های اولیه امپدانس به‌نظر می‌رسند مانند پارازیت‌های بی‌معنا. اما پس از آموزش، این دستکش توانست لمس‌های سبک را با دقتی در حد یک چهارم اینچ مکان‌یابی کند، نیروی واردشده را تا ۰.۱ پوند برآورد کرده و بریدگی‌ها را قبل از قطع کامل ژل شناسایی کند.
دکتر توماس جورج توروتل می‌گوید: «داشتن یک نوع حسگر برای تشخیص چندین سیگنال، تولید را ساده می‌کند. ما هنوز به سطح پوست انسان نرسیده‌ایم، اما معتقدیم این بهتر از هر چیز مشابه دیگری در حال حاضر است.»
از آن‌جا که این ماده در برابر امواج رادیویی شفاف است، نسخه‌های بی‌سیم آن می‌توانند اطراف پهپادهای نرم یا گیره‌های جست‌وجو و نجات پیچیده شوند.
کاربردهای آینده
طراحی‌های مشابه مانند پوست الکترونیکی قطره‌نگر که سال گذشته معرفی شد، نشان می‌دهد طرح‌های تک‌لایه می‌توانند برای وظایف خاص مانند پایش کیفیت آب نیز به‌کار روند.
کاربردهای واقعی برای پوست رباتیک
در صنعت خودرو
شرکت‌های خودروسازی هم‌اکنون از فیلم‌های لمسی خازنی در داشبوردها استفاده می‌کنند. لایه‌ای ارزان که همچنین گرما و آسیب را شناسایی کند، می‌تواند راننده را قبل از داغ‌شدن قطعات هشدار دهد.
در خطوط تولید و پروتزها
این پوست ممکن است سطح گیره‌های ربات‌های همکار را در کارخانه‌ها بپوشاند و زمان خرابی را هنگام عبور انسان‌ها کاهش دهد. در پروتزها، ژلاتین یک واسط راحت ایجاد می‌کند و حتی می‌توان آن را با ویتامین‌هایی برای سلامت اندام باقیمانده غنی کرد.
در ابزارهای پزشکی
مواد ارزان‌قیمت تشکیل‌دهنده (ژلاتین، نمک، و یک پوشش سیلیکونی) آن را برای ابزارهای پزشکی یکبارمصرف مانند جمع‌کننده‌های نرم مناسب می‌کند؛ ابزارهایی که می‌توانند جراحان را از فشار بیش از حد مطلع کنند.
مقایسه با پوست انسان
در حالی که این ماده به‌حساسیت پوست انسان نمی‌رسد، برخی ویژگی‌های اساسی آن را تقلید می‌کند: ثبت طیف وسیعی از محرک‌ها، فشار، گرما، تماس‌های تیز، از چند نقطه هم‌زمان و در سطحی پیوسته.
البته پوست انسان در وضوح بالا، توان بازسازی و یکپارچگی زیستی همچنان برتری دارد. اما نسخه رباتیک در دوام بالاتر مزیت دارد، زیرا نه دچار زخم می‌شود و نه حساسیتش با گذشت زمان کاهش می‌یابد.
گام‌های بعدی در تحقیقات پوست رباتیک
محققان قصد دارند این هیدروژل را در برابر نور فرابنفش و خشک‌شدن – دو نقطه‌ضعف رایج در ژل‌های مبتنی بر آب – مقاوم‌تر کنند.
پوشاندن دستکش با یک الاستومر قابل‌تنفس مشابه چسب زخم ضدآب می‌تواند عمر مفید آن را سه برابر کند، بدون اینکه سیگنال‌ها را کاهش دهد.
همچنین برنامه دارند که مدارهای الکترونیکی را کوچک کنند تا باتری و ماژول رادیویی در نوک انگشت جا شود. اگر این طرح موفق شود، دست‌دادن قدیمی میان انسان و ماشین ممکن است بالاخره برای هر دو طرف، طبیعی و ملموس شود.
این مطالعه در نشریه Science Robotics منتشر شده است.
