«Я заставлю тебя есть из моей ладони» — это маловероятное высказывание, которое вы услышите от робота. Почему? У большинства из них нет ладоней.
Если вы не отставали от изменчивого поля, захват и захват большего количества людей, как у людей, был постоянным титаническим усилием. Теперь новая конструкция роботизированной руки, разработанная в Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL), переосмыслила часто игнорируемую ладонь. В новом дизайне используются усовершенствованные датчики для высокочувствительного прикосновения, помогающие «крайним» пользователям обрабатывать объекты с более детальной и деликатной точностью.
GelPalm имеет гибкий датчик на гелевой основе, встроенный в ладонь, вдохновленный мягкой, деформируемой природой человеческих рук. В датчике используется специальная технология цветной подсветки, в которой используются красные, зеленые и синие светодиоды для освещения объекта, а также камера для захвата отражений. Эта смесь генерирует подробные трехмерные модели поверхности для точного взаимодействия с роботами.
И чем была бы ладонь без вспомогательных пальцев? Команда также разработала несколько роботизированных фаланг под названием ROMEO («RObotic Modular Endoskeleton Optical») из гибких материалов и сенсорной технологии, аналогичной ладони. Пальцы обладают так называемой «пассивной податливостью», когда робот может естественным образом приспосабливаться к силам, не нуждаясь в двигателях или дополнительном контроле. Это, в свою очередь, помогает достичь более крупной цели: увеличить площадь поверхности, соприкасающейся с объектами, чтобы их можно было полностью охватить. Изготовленные в виде единых монолитных конструкций с помощью 3D-печати, конструкции пальцев являются экономически эффективным производством.
Помимо улучшения ловкости, GelPalm предлагает более безопасное взаимодействие с объектами, что особенно удобно для потенциальных приложений, таких как сотрудничество человека и робота, протезирование или роботизированные руки с человеческими сенсорами для биомедицинских целей.
Многие предыдущие разработки роботов обычно были ориентированы на улучшение ловкости пальцев. Подход Лю смещает фокус на создание более человекоподобного и универсального конечного эффектора, который более естественно взаимодействует с объектами и выполняет более широкий спектр задач.
«Мы черпаем вдохновение в человеческих руках, у которых есть жесткие кости, окруженные мягкими, податливыми тканями», — говорит недавняя выпускница Массачусетского технологического института Сандра К. Лю СМ ’20, доктор философии ’24, ведущий дизайнер GelPalm, которая разработала систему в качестве филиала CSAIL. и аспирант в области машиностроения. «Сочетая жесткие конструкции с деформируемыми, податливыми материалами, мы можем лучше достичь того же адаптивного таланта, что и наши умелые руки. Главным преимуществом является то, что нам не нужны дополнительные двигатели или механизмы для активации деформации ладони — присущая ей податливость позволяет ей автоматически приспосабливаться к объектам, точно так же, как это ловко делают наши человеческие ладони».
Исследователи проверили дизайн ладони. Лю сравнил тактильные характеристики двух разных систем освещения — синих светодиодов и белых светодиодов, — встроенных в пальцы ROMEO. «Оба метода позволили получить аналогичные высококачественные трехмерные тактильные реконструкции при вдавливании объектов в гелевые поверхности», — говорит Лю.
Но решающим экспериментом, по ее словам, было изучение того, насколько хорошо ладони разных конфигураций могут обволакивать и стабильно захватывать предметы. Команда взялась за дело, буквально обмазывая пластиковые формы краской и прижимая их к четырем типам ладоней: жестким, структурно совместимым, гелевым и двойным совместимым. «Визуально и путем анализа контактов окрашенной поверхности стало ясно, что структурная и материальная податливость ладони обеспечивает значительно лучшее сцепление, чем другие», — говорит Лю. «Это элегантный способ максимизировать роль ладони в обеспечении стабильного захвата».
Одним из заметных ограничений является проблема интеграции достаточного количества сенсорных технологий в ладонь, не делая ее громоздкой или чрезмерно сложной. По словам команды, использование тактильных датчиков на базе камеры приводит к проблемам с размером и гибкостью, поскольку современные технологии не позволяют легко обеспечить широкий охват без компромиссов в дизайне и функциональности. Решение этой проблемы может означать разработку более гибких материалов для зеркал и улучшение интеграции датчиков для поддержания функциональности без ущерба для практического использования.
«Пальма почти полностью игнорируется при разработке большинства роботизированных рук», — говорит доцент Колумбийского университета Матей Чокарли, который не участвовал в работе над статьей. «Эта работа примечательна тем, что она представляет собой специально разработанную и полезную ладонь, которая сочетает в себе две ключевые функции: артикуляцию и чувствительность, тогда как у большинства роботизированных ладоней нет ни того, ни другого. Человеческая ладонь одновременно тонко сочленена и очень чувствительна, и эта работа является актуальной инновацией в этом направлении».
«Я надеюсь, что мы движемся к более совершенным роботизированным рукам, которые сочетают в себе мягкие и жесткие элементы с тактильной чувствительностью, в идеале в течение следующих пяти-десяти лет. Это сложная область, в которой нет четкого консенсуса относительно лучшего дизайна рук, что делает эту работу особенно захватывающей», — говорит Лю. «При разработке GelPalm и пальцев ROMEO я сосредоточился на модульности и возможности переноса, чтобы обеспечить широкий спектр дизайнов. Благодаря тому, что эта технология недорогая и простая в производстве, она позволяет большему количеству людей заниматься инновациями и исследованиями. Будучи всего лишь одной лабораторией и одним человеком в этой обширной области, я мечтаю, чтобы обмен этими знаниями мог стимулировать прогресс и вдохновить других».
Тед Адельсон, профессор науки о зрении Джона и Дороти Уилсон на факультете наук о мозге и когнитивных науках и член CSAIL, является старшим автором статьи, описывающей эту работу. Исследование частично поддерживалось Исследовательским институтом Toyota, Amazon Science Hub и проектом SINTEF BIFROST. Лю представил исследование на Международной конференции по робототехнике и автоматизации (ICRA) в начале этого месяца.