Ученые работают над кожей для роботов. Успех будет полезен и людям
Создание кожи для роботов, которая бы чувствовала, не рассыхалась и не ломалась, а еще бы и регенерировала в случае необходимости — сложная инженерная задача.
Вообще имитация органов человека с тем, чтобы сконструировать нечто похожее у робота, часто нетривиальная проблема. Создавая мозг робота, ученые моделируют синапсы и нейроны с помощью ПО и «железа». Робот должен двигаться, как человек? Создаются искусственные мускулы и суставы.
Но создание кожи — отдельная большая проблема. Прежде всего, у кожи человека довольно большая площадь, около 1,5 на 2 метра квадратных. В целом, напомним, кожа — самый большой орган человеческого организма. Это раделитель, отделяющий нашу внутреннюю среду от внешнего мира. При этом кожа снабжена рецепторами, которые реагируют на изменение окружающей природной среды, включая прикосновение, давление, вибрацию, холод или тепло. При этом кожа реагирует на тончайшие раздражители, обладая высокой чувствительностью — улавливается даже легкое дуновение ветерка и падение луча солнца.
Инженеры, которые пытаются создать кожу робота, стремятся снабдить ее множеством датчиков. При этом чем больше датчиков, тем более энергозатратным становится устройство, и тем больше вычислительных мощностей нужно на обработку данных.
В Университете Мюнхена создали искусственную робокожу и снабдили ее датчиками, но оказалось, что подобное устройство никак не может сравниться с эффективностью живого организма. Все, на что хватило ученых — на одну руку робота, потом для обработки данных с датчиков понадобилась слишком большая вычислительная мощь, оказалось, что решение не масштабируется.
Выяснилось, что кожа человека не посылает сигналов, когда ситуация стабильна, рецепторы человека посылают сведения в мозг только в тот момент, когда что-то меняется. Кожа отправляет только те данные, что нужны, и только тогда, когда это нужно. То есть мы можем сосредоточиться на том, что в данный момент чувствует наш большой палец левой ноги, послав запрос. Но обычно данные в сознание не попадают, находясь в состоянии «все нормально». Утром, надевая носок, мы чувствуем прикосновение ткани. В течение дня потом носка мы отдельно не чувствуем. Потом мы снимаем носок и в мозг поступает сигнал. Такая схема позволяет избегать необходимости обрабатывать слишком много сигналов.
Поэтому в Университете Мюнхена в итоге пришли именно к такому решению, обрабатывать сигналы только если что-то меняется, и в результате объем необходимой энергии и вычислительной мощности сразу снизились на 90%.
В результате ученые Университета Мюнхена смогли полностью покрыть искусственной кожей робота, получившего имя H-1, он даже умеет правильно рассчитывать нажатие, пожимая руку собеседнику, для этого собираются сведения с датчиков давления в коже.
В национальном исследовательском университете Сингапура тоже была попытка создать кожу для робота, которая бы не слишком нагружала систему с точки зрения электричества и ресурсов для обработки сигналов. Для этого применялись нейроморфные чипы Intel Loihi, где информация обрабатывается почти так же, как в реальных человеческих нервах. В робокоже сингапурских исследователей сигнал тоже поступает либо по запросу, либо в случае изменения обстановки. В сингапурском университете кожа роботов также спроектирована так, чтобы чувствовать боль, что работает как система предупреждения для робота при неблагоприятном развитии событий.
В университет Мельбурна создан прототип робота, который чувствует боль, например, сначала тепло воспринимается просто как температура, но когда уровень температуры становится таким, что может навредить роботу, появляется сигнал «боль».
В целом, учитывая весь прогресс в деле создания робокожи, эксперты резюмируют, что движение ученых в этом направлении может привести к появлению нового поколения протезов.
К слову, сигналы, поступающие от кожи человека в его мозг имеют электрическую природу. Другими словами, между искусственной и естественной системами кожной чувствительности есть параллели.
Тем не менее, несмотря на прогресс, ученым пока не хватает материалов, а в случае создания не роботов, а протезов — еще и биосовместимых материлов, не отвергаемых человеческим организмом. Помимо этого, такие материалы должны сгибаться и растягиваться, и не трескаться в течение долгого времени.
Помимо этого, человеческая кожа имеет способность регенерировать — маленькая царапина затягивается за пару дней, серьезные ранения оставляют после себя шрамы.
Исследователи пытаются повторить функцию регенерации на искусственном материале. Так, ученые Университета Carnegie Mellon создали мягкий, тянущийся материал с жидким полимерным слоем, который сам заделывал, например, отверстие в случае прокола: полимер вытекал и затвердевал, закрывая повреждение.