Роботы становятся все более совершенными в области зрения и передвижения, однако тактильные ощущения остаются одним из их главных недостатков. Теперь исследователи разработали миниатюрный тактильный датчик, который может дать роботам нечто гораздо более близкое к человеческому осязанию.

Технология, разработанная исследователями из Кембриджского университета, основана на композитах из жидких металлов и графене — двумерной форме углерода. Эта «оболочка» позволяет роботам определять не только силу нажатия на объект, но и направление приложенных сил, происходит ли скольжение объекта и даже насколько шероховатая поверхность, в масштабе, достаточно малом, чтобы конкурировать с пространственным разрешением кончиков человеческих пальцев. Результаты их исследований опубликованы в журнале Nature Materials.

Человеческие пальцы используют множество типов механорецепторов для одновременного восприятия давления, силы, вибрации и текстуры. Воспроизведение такого уровня многомерного тактильного восприятия в искусственных системах представляет собой серьезную проблему, особенно в устройствах, достаточно маленьких и прочных для практического применения.

«Большинство существующих тактильных датчиков либо слишком громоздки, либо слишком хрупки, либо слишком сложны в изготовлении, либо не способны точно различать нормальные и тангенциальные силы», — сказал профессор Тауфик Хасан из Кембриджского центра графена, возглавлявший исследование. «Это было серьезным препятствием на пути к достижению действительно ловкой роботизированной манипуляции».

Для решения этой проблемы исследовательская группа разработала мягкий, гибкий композитный материал, сочетающий в себе листы графена, деформируемые металлические микрокапли и частицы никеля, внедренные в силиконовую матрицу.

Вдохновленные микроструктурами человеческой кожи, исследователи придали материалу форму крошечных пирамидок, некоторые из которых достигают 200 микрометров в поперечнике. Эти пирамидальные структуры концентрируют напряжение на своих вершинах, что позволяет датчику обнаруживать чрезвычайно малые силы, сохраняя при этом широкий диапазон измерений.

В результате получился тактильный датчик, достаточно чувствительный для обнаружения песчинки. По сравнению с существующими гибкими тактильными датчиками, новое устройство примерно на порядок превосходит их по размерам и пределам обнаружения.

Датчик также способен отличать силы сдвига от нормального давления, что позволяет ему определять момент начала скольжения объекта. Измеряя сигналы с четырех электродов под каждой пирамидой, датчик может математически восстановить полный трехмерный вектор силы в реальном времени.

В ходе демонстраций команда интегрировала датчики в роботизированные захваты. Роботы смогли захватывать хрупкие объекты, такие как тонкие бумажные трубки, не раздавливая их. В отличие от обычных датчиков силы, которые полагаются на предварительную информацию о свойствах объекта, новая система адаптируется в режиме реального времени за счет обнаружения проскальзывания.

В еще меньших масштабах массивы микросенсоров могут определять массу, геометрию и плотность материала крошечных металлических сфер путем анализа величины и направления силы. Это открывает возможности для применения в малоинвазивной хирургии или микроробототехнике, где обычные датчики силы слишком велики.

Помимо робототехники, эта технология может иметь значительные последствия для протезирования. Усовершенствованные искусственные конечности все чаще полагаются на тактильную обратную связь, чтобы обеспечить пользователям ощущение прикосновения. Высокочувствительные миниатюрные 3D-датчики силы могут обеспечить более естественное взаимодействие с объектами, улучшая управление, безопасность и уверенность пользователя.

«Наш подход показывает, что для достижения высокоточного трехмерного тактильного восприятия не требуются громоздкие механические конструкции или сложная оптика», — сказал ведущий автор, доктор Голинь Юнь, бывший стипендиат программы Newton International Королевского общества в Кембридже, а ныне профессор Китайского университета науки и технологий. «Сочетая интеллектуальные материалы со структурами, созданными по образцу кожи, мы достигаем характеристик, которые удивительно близки к тактильным ощущениям человека».

В перспективе исследователи полагают, что датчики можно будет еще больше миниатюризировать , потенциально доведя их размер до менее 50 микрометров, приблизив их к плотности механорецепторов в человеческой коже. В будущих версиях также могут быть интегрированы датчики температуры и влажности, что приблизит их к созданию полностью многомодальной искусственной кожи.

По мере того как роботы все чаще покидают контролируемые заводские условия и проникают в дома, больницы и непредсказуемые условия реального мира, подобные достижения в области тактильных ощущений могут произвести революцию, позволив машинам не просто видеть и действовать, но и по-настоящему чувствовать.

Заявка на патент подана через Cambridge Enterprise, инновационное подразделение университета.