Восприятие мягкости можно воспринимать как нечто само собой разумеющееся, однако оно играет решающую роль во многих действиях и взаимодействиях — от оценки спелости авокадо до проведения медицинского осмотра или держания за руку любимого человека. Но понять и воспроизвести восприятие мягкости непросто, поскольку оно включает в себя очень много сенсорных и когнитивных процессов.
Исследователи робототехники пытались решить эту проблему с помощью тактильных устройств , но предыдущие попытки не различали два основных элемента восприятия мягкости: кожные сигналы (сенсорная обратная связь от кожи кончика пальца) и кинестетические сигналы (обратная связь о величине силы, прикладываемой к телу).
«Если вы нажмете на зефир кончиком пальца, легко определить, что он мягкий. Но если вы положите твердое печенье поверх зефира и снова нажмете, вы все равно сможете сказать, что мягкий зефир находится под ним, даже если кончик вашего пальца касается твердой поверхности», — объясняет Мустафа Мете, доктор философии. студент лаборатории реконфигурируемой робототехники инженерного факультета. «Мы хотели посмотреть, сможем ли мы создать роботизированную платформу, которая сможет делать то же самое».
Благодаря SORI (интерфейсу мягкого рендеринга) компания RRL под руководством Джейми Пайка добилась именно этого. Разделяя кожные и кинестетические сигналы, SORI точно воссоздает мягкость ряда реальных материалов, заполняя пробел в области робототехники и позволяя использовать множество приложений, где ощущение мягкости имеет решающее значение — от глубоководных исследований до роботизированной хирургии.
Интерфейс рендеринга мягкости, SORI состоит из двух независимых частей: зоны контакта и частей, обеспечивающих жесткость. Деталь визуализации области контакта, состоящая из тороидального мягкого пневматического привода (SPA), управляет областью контакта кончиком пальца во время надувания. И наоборот, часть, обеспечивающая жесткость, спроектированная с использованием призматического соединения оригами в сочетании с двигателем-мешочком, регулирует силу, прикладываемую к кончику пальца.
Мы все ощущаем мягкость по-разному
Мете объясняет, что нейробиологические и психологические исследования показывают, что кожные сигналы во многом основаны на том, насколько сильно кожа соприкасается с поверхностью, что часто частично связано с деформацией объекта. Другими словами, поверхность, охватывающая большую площадь кончика пальца, будет восприниматься как более мягкая. Но поскольку кончики пальцев человека сильно различаются по размеру и твердости, один палец может лучше контактировать с определенной поверхностью, чем другой.
«Мы поняли, что мягкость, которую я ощущаю, может отличаться от той мягкости, которую ощущаете вы, из-за разной формы пальцев. Поэтому для нашего исследования нам сначала пришлось разработать параметры геометрии кончика пальца и его контактной поверхности, чтобы чтобы оценить сигналы мягкости кончика пальца», — объясняет Мете. Затем исследователи извлекли параметры мягкости из ряда различных материалов и нанесли оба набора параметров на устройство SORI.
Основываясь на исследованиях роботов-оригами под торговой маркой RRL, которые привели к появлению дополнительных возможностей для реконфигурируемой среды и тактильного джойстика , SORI оснащена шарнирами оригами с приводом от двигателя, которые можно модулировать, чтобы сделать их более жесткими или более гибкими. На стыках расположена силиконовая мембрана с ямочками. Поток воздуха в разной степени надувает мембрану, окутывая кончик пальца, расположенный в ее центре.
Благодаря этому новому разделению кинестетической и кожной функциональности SORI удалось воссоздать мягкость ряда материалов, включая говядину, лосося и зефир, в ходе нескольких экспериментов с двумя людьми-добровольцами. Он также имитировал материалы, обладающие как мягкими, так и твердыми свойствами (например, печенье на зефире или книгу в кожаном переплете). В одном виртуальном эксперименте SORI даже воспроизвела ощущение бьющегося сердца, чтобы продемонстрировать свою эффективность при приведении мягких материалов в движение.
Таким образом, медицина является основной областью потенциального применения этой технологии; например, для обучения студентов-медиков обнаружению раковых опухолей или для обеспечения важной сенсорной обратной связи хирургам, использующим роботов для выполнения операций.
Другие приложения включают исследование космоса или глубин океана с помощью роботов, где устройство может позволить ученым почувствовать мягкость обнаруженного объекта из удаленного места. SORI также является потенциальным ответом на одну из самых больших проблем в роботизированном сельском хозяйстве: сбор нежных фруктов и овощей, не раздавливая их.
«Он не предназначен для работы в качестве датчика мягкости для роботов, а предназначен для передачи ощущения «прикосновения» в цифровом виде, точно так же, как отправка фотографий или музыки», — говорит Мете.
