В рамках новаторского исследования ученые разработали электронную кожу, которая позволяет гуманоидным роботам отличать повседневные прикосновения от опасных воздействий. Эта способность, ранее присущая только нервной системе живых организмов, может изменить взаимодействие роботов с физическим миром и, в частности, с людьми.
В недавней публикации в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences ученые из Технического университета Мюнхена и других учреждений рассказывают о разработке нового типа электронной кожи, которая помогает роботам распознавать опасные физические контакты. Работа направлена на то, чтобы дать роботам более надежный способ различать обычное прикосновение и вредоносное физическое действие.
Работа посвящена решению давней проблемы в робототехнике — созданию тактильных систем, которые выходят за рамки базового обнаружения нажатия и вместо этого обеспечивают более безопасное и адаптивное поведение.
Оснoвой этой сенсорной системы является сеть гибких датчиков давления, встроенных в электронную кожу. Когда поверхность кожи касаются, сдавливают или ударяют, эти датчики преобразуют механическую силу в электрические сигналы. На более ранних этапах разработки эти сигналы поступали прямо в центральный процессор робота. Но в новой системе, если ощущение превышает установленный порог, сигнал посылается непосредственно на двигатели.
Отличие этого подхода заключается в том, как эти сигналы обрабатываются. Вместо того, чтобы рассматривать прикосновение как простой входной сигнал давления, система использует нейроморфное кодирование (моделируемое на основе биологических нервов) для преобразования силы в быстрые электрические импульсы. Частота и характер этих импульсов меняются в зависимости от интенсивности и места контакта.
Когда воздействие остается в пределах нормального диапазона, сигналы отражают обычное взаимодействие. Но как только давление превышает заданный порог, характер сигнала резко меняется, вызывая защитные реакции.
Исследователи подчеркивают, что система предназначена только для обнаружения механического воздействия. Она не отражает эмоциональную боль или более высокий уровень сенсорного восприятия, а просто подает функциональный сигнал, позволяющий роботам распознавать вредное воздействие и реагировать на него.
«Наша нейроморфная роботизированная электронная кожа имеет иерархическую архитектуру, вдохновленную нейронными сетями, которая обеспечивает высокое разрешение сенсорного восприятия, активное обнаружение боли и травм с помощью локальных рефлексов, а также модульный ремонт с быстрым разъединением», — пишут исследователи. — «Эта конструкция значительно улучшает сенсорные характеристики роботов, безопасность и интуитивное взаимодействие человека с роботом, что важно для эмпатичных сервисных роботов».
Чтобы оценить производительность системы, исследователи подвергли электронную кожу ряду физических воздействий, от легкого прикосновения до постепенно усиливающихся нагрузок, предназначенных для имитации потенциально опасного контакта. Эти тесты позволили команде проверить, насколько точно система может в режиме реального времени обнаруживать переход от безопасного к небезопасному контакту.
В ходе экспериментов сеть датчиков стабильно генерировала четкие сигнальные паттерны и активировала защитные реакции в зависимости от приложенной силы. Система реагировала в течение миллисекунд, что достаточно быстро для поддержки реакций в реальном времени, таких как отстранение от опасного контакта или уменьшение приложенной силы во время взаимодействия. Система также поддерживала стабильную производительность в течение повторяющихся циклов эксперимента, что свидетельствует о ее долговечности при длительном использовании.
Эти улучшения характеристик имеют важное значение для безопасности при взаимодействии человека и робота. По мере того как роботы все чаще выходят за пределы контролируемой заводской среды и появляются в пространстве повседневной жизни человека, способность распознавать опасный контакт становится все более значимой, поскольку задачи, выполняемые на близком расстоянии, повышают риск случайных столкновений и чрезмерного применения силы.
Большинство существующих систем безопасности роботов не предназначены для такого рода тесного физического взаимодействия. Вместо этого они часто полагаются на внешние датчики, заранее запрограммированные ограничения движения или механизмы аварийного отключения. Хотя эти подходы эффективны, они могут быть медленными или недостаточно гибкими. Благодаря встраиванию этой сенсорной функции непосредственно в кожу робота, новая система позволяет машинам мгновенно реагировать на физические угрозы прямо на месте.
Эта технология также может улучшить производительность при выполнении коллаборативных задач, требующих физического контакта, таких как работа с объектами, функционирование вспомогательных устройств для передвижения и сервисной робототехники, позволяя роботам непрерывно регулировать силу захвата и контакта во время взаимодействия. Регулируя силу в режиме реального времени, роботы могут более естественно взаимодействовать с хрупкими объектами и в непредсказуемых условиях, не пережимая, не проскальзывая и не ошибаясь в оценке контакта.
Помимо безопасности и производительности, эта технология также меняет восприятие людей их взаимодействия с машинами. Роботы, которые реагируют на физическое воздействие или удар, могут казаться более отзывчивыми и естественными, даже если эмоциональный опыт не задействован.
Такая обратная связь может сделать взаимодействие человека и робота более интуитивным. Так же, как люди инстинктивно корректируют свое прикосновение, когда другой человек отстраняется, видимая обратная связь от машин может помочь направлять поведение и уменьшать непреднамеренный ущерб.
Несмотря на эти потенциальные преимущества, технология поднимает более широкие вопросы о том, как далеко должен заходить реализм роботов. Хотя эти сенсорные возможности повышают безопасность и производительность, заимствуя сенсорные стратегии из биологии, они также создают этические и конструктивные проблемы, связанные с тем, должны ли машины вообще имитировать реакции живых существ.
Некоторые исследователи утверждают, что роботам вообще не нужны сигналы, похожие на боль. Другие полагают, что заимствование стратегий из биологии может стать наиболее эффективным путем к созданию адаптируемых и устойчивых машин. Сложность заключается в том, чтобы найти баланс между функциональными преимуществами и риском поощрения ненужного антропоморфизма и его более широких социальных последствий. Что произойдет, например, если такая сенсорная система в гуманоидном роботе будет подключена к программе эмоциональной реакции, управляемой искусственным интеллектом?
Хотя эта технология поднимает более широкие философские вопросы о реалистичности роботов, эти последствия еще только проясняются. На данный момент система находится на ранней стадии исследований и не является готовой коммерческой технологией. В настоящее время электронная кожа покрывает только ограниченные участки поверхности. Расширение покрытия на все тело гуманоида потребует не только значительных изменений в производстве, но и улучшений в области энергоэффективности и обработки данных.
В будущем работа будет сосредоточена на расширении покрытия датчиками и улучшении прочности, что необходимо для выхода технологии за пределы лабораторных прототипов. Каждый из этих шагов может помочь определить, сможет ли эта новая робототехническая кожа перейти от контролируемых лабораторных демонстраций к реальному применению.
Оригинал: New Atlas
