Умные роботы с электронной кожей скоро смогут почувствовать боль (4 фото + 1 видео)

Это может звучать немного странно и, возможно, больше похоже на антиутопический научно-фантастический триллер. Но вскоре роботы смогут чувствовать боль — благодаря разработке новой электронной кожи, которая может имитировать неприятные ощущения.

Разработчики говорят, что механическая рука с «умной» кожей отлично учится реагировать на внешние раздражители, такие как удар по ладони. Она использует новый тип системы обработки данных, основанный на «синаптических транзисторах», который имитирует нейронные пути мозга, чтобы научиться «чувствовать боль».

Эксперты десятилетиями работали над созданием искусственной кожи, чувствительной к прикосновениям, с помощью одного широко изученного метода, включающего множество контактных датчиков на поверхности электронной кожи, позволяющих ей определять, когда она вступает в контакт с объектом.

Но эти датчики, как правило, производят большой объём данных, которые должным образом обрабатываются компьютером и на которые нужно реагировать. И может потребоваться дополнительное время, что приводит к задержкам, которые снижают потенциальную эффективность кожи в реальных задачах.

Команда инженеров из Университета Глазго разработала новый прототип «электронной кожи», который, по их мнению, является большим достижением в области сенсорной робототехники. Они черпали вдохновение в том, как периферическая нервная система человека интерпретирует сигналы от кожи, чтобы устранить задержки и энергопотребление предыдущих концепций.

Чтобы создать электронную кожу, способную к вычислительно эффективной реакции, подобной синапсу, исследователи напечатали сетку из 168 синаптических транзисторов, сделанных из нанопроволок оксида цинка, непосредственно на поверхность гибкого пластика. Затем они соединили синаптический транзистор с датчиком кожи над ладонью руки робота в форме человека.

Датчик регистрирует изменение своего электрического сопротивления при прикосновении к нему, при этом легкое прикосновение соответствует небольшому изменению, а более сильное прикосновение создает большее изменение. Так происходит имитация работы сенсорных нейронов в организме человека.

В более ранних прототипах электронной кожи эти входные данные отправлялись на компьютер для обработки, что часто приводило к задержкам. Но в этой конструкции схема, встроенная в кожу, действует как искусственный синапс, уменьшая входной сигнал до простого спайка и ускоряя процесс реакции.

Разработчики использовали различную мощность этого всплеска напряжения, чтобы научить кожу соответствующим реакциям на смоделированную боль, которая вызывала реакцию руки робота.

Установив пороговое значение входного напряжения, чтобы вызвать реакцию, исследователи обнаружили, что они могут заставить руку робота отскочить от резкого удара по центру ладони. Другими словами, он научился уходить от этого источника симулированного дискомфорта с помощью процесса обработки информации на борту, который имитирует работу нервной системы человека.

Разработка электронной кожи — это последний прорыв в области гибких, растяжимых печатных поверхностей от группы Bendable Electronics and Sensing Technologies (BEST) Университета Глазго, возглавляемой профессором Равиндером Дахия.

«Мы все рано учимся адекватно реагировать на неожиданные раздражители, такие как боль, чтобы не причинить себе вреда снова, — сказал он. — Конечно, разработка этой новой формы электронной кожи на самом деле не включала в себя причинение боли в том виде, в каком мы её знаем — это просто сокращённый способ объяснить процесс обучения на внешнем стимуле».

«С помощью этого процесса мы смогли создать электронную оболочку, способную к распределенному обучению на аппаратном уровне, которой не нужно отправлять сообщения туда и обратно на центральный процессор, прежде чем предпринять какие-либо действия. Вместо этого он значительно ускоряет процесс реагирования на прикосновения, сокращая объем необходимых вычислений. Мы считаем, что это настоящий шаг вперед в нашей работе по созданию крупномасштабной нейроморфной печатной электронной кожи, способной адекватно реагировать на раздражители», — пояснил профессор.

Фэнъюань Лю, член группы BEST и соавтор статьи, добавил: «В будущем это исследование может стать основой для более совершенной электронной кожи, которая позволит роботам исследовать мир и взаимодействовать с ним по-новому, или создавать протезы конечностей, способные к сенсорному уровню, близкому к человеческому».

Новое исследование опубликовано в журнале Science Robotics.