Ihmisten arjessa kosketus on jatkuvasti käytössä vuorovaikutuksessa maailman kanssa. Sen sijaan roboteille voimien havaitseminen on pitkään ollut este. Itse asiassa sensorit tulevat yleensä monimutkaisilla suunnitelmilla ja vaativat tarkkaa kalibrointia, mikä rajoittaa niiden käyttöä.
Voimien havaitsemisen haasteiden voittamiseksi LIRMM:n tutkijatiimi on saanut inspiraationsa luonnollisista mekanismeista. Hyödyntämällä ihmisen ihon ominaisuuksia ja Halbachin verkon itse-erottumisen periaatetta, he ovat kehittäneet kahden vuoden tutkimuksen jälkeen joustavan magneettisen anturin, joka pystyy erottamaan voimia kolmiulotteisesti. Tämä työ on saanut tukea Avainhaasteelta "Ihmiskeskeinen robotiikka", jota rahoittavat Occitanien alue ja CNRS.
Anturin suunnittelu on yksinkertainen, ja se koostuu kolmesta kerroksesta. Ensimmäinen kerros on pehmeä magneettinen kalvo, joka muotoutuu kosketuksessa, edistäen magneettikentän muutosta. Välikerros on elastomeerista valmistettu tyyny, kun taas viimeinen kerros sisältää piirilevyn ja Hall-anturit, jotka havaitsevat magneettikentän vaihtelut. Tämä rakenne mahdollistaa anturin mittaavan itsenäisesti normaalivoimia (kohtisuoria) ja leikkausvoimia (pintasuunnassa).
Heidän artikkelinsa, joka on julkaistu Nature Machine Intelligence -lehdessä, esittelee useita demonstraatioita tästä patentoidusta teknologiasta. Integroimalla anturi keinotekoiseen polviniveleen, tutkijat pystyivät hallitsemaan, miten voimat jakautuvat liikkeen aikana, mikä auttaa kliinikoita ymmärtämään ja hoitamaan nivelongelmia paremmin. Toisessa kokeessa anturia käytettiin ohjaamaan robottia kahvin valmistamisessa. Kohdistamalla kevyttä painetta ja liukuvia liikkeitä anturiin, robotti pystyy oppimaan liikeseqvenssejä ja toistamaan niitä itsenäisesti, puristimen sulkemisesta veden kaatamiseen ja sekoittamiseen. Anturin herkkyys mahdollistaa myös robotin käsitellä vieläkin hauraampia esineitä, kuten munia, vahingoittamatta niitä.
Näiden saavutusten vaikutukset ovat merkittäviä. Robotiikassa tällaisten sensoristen antureiden integrointi voisi johtaa reaktiivisempiin ja mukautuvampiin koneisiin, jotka pystyvät suorittamaan monimutkaisia tehtäviä ihmisen tarkkuudella. Terveydenhuollossa älykkäät proteesit tai polvituet voisivat hyötyä reaaliaikaisesta voimapalautteesta, yhdistäen näin turvallisuuden ja toiminnallisuuden. Lisäksi anturin helppo valmistus ja kalibrointi avaa mahdollisuuksia sen käyttöönotolle arkipäivän sovelluksissa, tehden edistyksellisestä kosketushavainnosta saavutettavaa laboratorioiden ulkopuolella.
Tulevaisuudessa LIRMM:n tiimi aikoo hienosäätää anturia optimoimalla sen materiaaleja ja integroimalla sen monimutkaisempiin järjestelmiin, mukaan lukien humanoidirobotteihin. Tämä innovaatio lupaa kaventaa kuilua ihmisen taitavuuden ja robottien tarkkuuden välillä, muuttaen siten tapaa, jolla koneet vuorovaikuttavat ympäristönsä kanssa.
Lisätietoja:
Yan, Y., Zermane, A., Pan, J. et al. A soft skin with self-decoupled three-axis force-sensing taxels. Nat Mach Intell 6, 1284-1295 (2024). https://doi.org/10.1038/s42256-024-00904-9