3D-сенсор: новый уровень тактильного восприятия для роботов

Прикосновение – это чувство, которое связывает нас с реальностью, раскрывая форму, текстуру и сопротивление. Разработка гибких сенсоров, имитирующих биологические кончики пальцев, способствует естественной тактильной связи в телеробототехнике и протезировании, но часто сталкивается с неточным декодированием тактильных ощущений.

Ученые из Шанхайского университета Цзяо Тун представили 3D-структурированный датчик давления, состоящий из гидрогелевой решетки, заключенной в каркас, вдохновленный оригами. Линейные электромеханические отклики устройства обеспечивают усовершенствованную обработку давления для управления роботами и интеллектуальное определение модуля упругости кончиком пальца.

Быстрое развитие человекоподобных роботов требует способности к восприятию окружающей среды для автономной локомоции и ловких манипуляций. Тактильное зондирование, являясь одной из наиболее фундаментальных модальностей восприятия, предоставляет критическую физическую обратную связь при взаимодействиях, требующих контакта. Однако эта способность к зондированию порождает фундаментальный компромисс между податливостью при физических взаимодействиях и высокой точностью отклика на механические стимулы.

Биомеханический интеллект человеческих кончиков пальцев предлагает убедительную парадигму для решения этой задачи. Многослойная 3D-структурированная подушечка пальца выдерживает значительные деформации при сжатии с минимальным упрочнением при растяжении, в то время как отпечатки пальцев на поверхности адаптивно расширяются и деформируются, сохраняя тактильную чувствительность на протяжении всего контакта. Это наводит на мысль о возможности применения конструктивных решений, преобразующих сжатие в контакт с поверхностью для улучшения сенсорной трансдукции.

Мягкая ионика использует эластичные электронно-ионные контакты в датчиках на основе гидрогеля для определения приложенного давления. Это вдохновило на разработку различных микроструктур, включая пирамиды, полусферы и канавки, для настройки электрических откликов при нагрузке. Однако традиционные конструкции неизбежно приводят к упрочнению при сжатии. Этот эффект негативно сказывается на податливости и ограничивает диапазон восприятия для позиционно-управляемых машин или роботов.

3D-структурное проектирование предлагает перспективный путь для программирования поведения при сжатии. Проводящие пены, созданные на основе шаблонов, используют пористое сжатие для увеличения хода деформации, но страдают от ограниченной настраиваемости и нелинейных трансдукций. Одновременное программирование электрических откликов и механических свойств остается сложной задачей.

Для решения этой проблемы команда исследователей под руководством профессора Гуоин Гу из Школы машиностроения Шанхайского университета Цзяо Тун предложила 3D-структурированный ионный тактильный датчик, состоящий из гидрогелевой решетки, заключенной в каркас, вдохновленный оригами.

Широкий диапазон линейности (0–220 кПа) как электрических откликов, так и механических свойств при сжатии доказал возможность точного определения при экстремальных динамических нагрузках. Их исследование, опубликованное в SmartBot, освещает основные выводы.

Они использовали криопечать для создания решеток из PEDOT:PSS-PVA гироида и сшивали замороженные структуры в самонесущие гидрогели. Затем они поместили гидрогелевую решетку, зажатую между металлическими сетчатыми пластинами, в литой каркас, выполненный по технологии оригами, для формирования 3D-ионного датчика. «Техника 3D-изготовления является фундаментальной», — сообщает профессор Гу.

«Гидрогели похожи на желе, они мягкие и их сложно структурировать. Наши методы криогенной печати открывают возможности для проектирования с учетом размерности и конструирования по требованию». Они провели характеристики сжатия in situ и обнаружили, что линейные электрические отклики обусловлены линейным расширением площади контакта между постепенно сжимающейся гидрогелевой решеткой и электродами под нагрузкой.

«Этот 3D-структурированный датчик расширяет пространство проектных решений для согласования электрических откликов и механических характеристик», — говорит профессор Гу.

Затем они применили датчики в качестве интерфейсов человек-машина, обеспечив точное, стабильное и своевременное управление сложными формами сигналов в телеоперационном режиме роботов посредством ввода давления. Далее они интегрировали датчики с конечными эффекторами роботов и добились точного и безопасного определения модуля упругости мягких тканей как деформируемого интеллектуального кончика пальца.

Эти результаты представляют новый тактильный датчик, который может упростить калибровку параметров, динамический мониторинг и обработку данных при декодировании различных тактильных взаимодействий. Он также позволяет распознавать физические свойства объектов, к которым прикасаются, за счет расширения диапазона сжатия для восприятия.

Этот 3D-структурированный датчик, как ожидается, откроет новые возможности применения в носимых интерфейсах человек-машина, служа интеллектуальным интерфейсом, который преобразует прикосновение в действенные данные для помощи в раннем выявлении поражений, таких как паркинсонизм и локальная склеродермия.

Авторы оптимистично смотрят на будущие перспективы своего дизайна.

«В отличие от 2D-структурированных датчиков, наши 3D-архитектуры фундаментально повышают размерность восприятия. Дальнейшие структурные решения позволят преобразовывать многоосевую деформацию в разделенные мультимодальные сигналы. Это новый подход к тактильному ощущению, который может оснастить мягких роботов сенсорными возможностями», — говорит профессор Гу.