I ricercatori della Columbia Engineering hanno annunciato oggi di aver introdotto un nuovo tipo di dito robotico con il senso del tatto. Il loro dito può localizzare il tocco con altissima precisione— <1 mm—su un grande, superficie multicurva, molto simile alla sua controparte umana.

"C'è stato a lungo un divario tra i sensori tattili autonomi e le dita tattili completamente integrate:il rilevamento tattile è ancora lontano dall'essere onnipresente nella manipolazione robotica, "dice Matei Ciocarlie, professore associato nei dipartimenti di ingegneria meccanica e informatica, che ha guidato questo lavoro in collaborazione con il professore di ingegneria elettrica Ioannis (John) Kymissis. "In questo documento, abbiamo dimostrato un dito robotico multicurvo con localizzazione accurata del tocco e rilevamento della forza normale su superfici 3D complesse".

I metodi attuali per la costruzione di sensori tattili si sono rivelati difficili da integrare nelle dita dei robot a causa di molteplici sfide, compresa la difficoltà nel coprire superfici multicurve, alto numero di fili, o difficoltà ad adattarsi alla punta delle piccole dita, impedendo così l'uso in mani abili. Il team di Columbia Engineering ha adottato un nuovo approccio:il nuovo uso di segnali sovrapposti da emettitori e ricevitori di luce incorporati in uno strato di guida d'onda trasparente che copre le aree funzionali del dito.

Misurando il trasporto della luce tra ogni emettitore e ricevitore, hanno dimostrato di poter ottenere un set di dati di segnale molto ricco che cambia in risposta alla deformazione del dito dovuta al tocco. Hanno poi dimostrato che i metodi di deep learning puramente basati sui dati possono estrarre informazioni utili dai dati, compresa la posizione del contatto e la forza normale applicata, senza la necessità di modelli analitici. Il loro risultato finale è un completamente integrato, dito robot sensorizzato, con un numero di fili basso, costruito utilizzando metodi di produzione accessibili e progettato per una facile integrazione in mani abili.

Lo studio, pubblicato online in Transazioni IEEE/ASME sulla meccatronica , dimostra i due aspetti della tecnologia sottostante che si combinano per consentire i nuovi risultati. in primo luogo, in questo progetto, i ricercatori usano la luce per percepire il tatto. Sotto la pelle, " il loro dito ha uno strato di silicone trasparente, in cui brillavano la luce di oltre 30 LED. Il dito ha anche più di 30 fotodiodi che misurano il rimbalzo della luce. Ogni volta che il dito tocca qualcosa, la sua pelle si deforma, così la luce si sposta nello strato trasparente sottostante. Misurare quanta luce passa da ogni LED a ogni diodo, i ricercatori finiscono con quasi 1, 000 segnali che contengono ciascuno alcune informazioni sul contatto che è stato effettuato. Poiché la luce può anche rimbalzare in uno spazio curvo, questi segnali possono coprire una forma 3D complessa come un polpastrello.

"Il dito umano fornisce informazioni di contatto incredibilmente ricche:più di 400 minuscoli sensori tattili in ogni centimetro quadrato di pelle!" dice Ciocarlie. "Questo è stato il modello che ci ha spinto a cercare di ottenere quanti più dati possibili dal nostro dito. Era fondamentale assicurarsi che tutti i contatti su tutti i lati del dito fossero coperti:essenzialmente abbiamo costruito un dito robot tattile senza punti ciechi. "

In secondo luogo, il team ha progettato questi dati per essere elaborati da algoritmi di apprendimento automatico. Perché ci sono così tanti segnali, tutti parzialmente sovrapposti tra loro, i dati sono troppo complessi per essere interpretati dall'uomo. Fortunatamente, le attuali tecniche di apprendimento automatico possono imparare a estrarre le informazioni che interessano ai ricercatori:dove viene toccato il dito, cosa sta toccando il dito, quanta forza viene applicata, eccetera.

"I nostri risultati mostrano che una rete neurale profonda può estrarre queste informazioni con una precisione molto elevata, " afferma Kymissis. "Il nostro dispositivo è davvero un dito tattile progettato fin dall'inizio per essere utilizzato in combinazione con algoritmi di intelligenza artificiale".

Inoltre, la squadra ha costruito il dito in modo che, e altri, può essere messo su mani robotiche. Integrare il sistema in una mano è facile:grazie a questa nuova tecnologia, il dito raccoglie quasi 1, 000 segnali, ma necessita solo di un cavo a 14 fili che lo colleghi alla mano, e non ha bisogno di complessi dispositivi elettronici esterni. I ricercatori hanno già due mani abili (capaci di afferrare e manipolare oggetti) nel loro laboratorio dotate di queste dita:una mano ha tre dita, e l'altro quattro. Nei prossimi mesi, il team utilizzerà queste mani per provare a dimostrare abilità di manipolazione abili, basata su dati tattili e propriocettivi.

"Ora è necessaria un'abile manipolazione robotica in campi come la produzione e la logistica, ed è una delle tecnologie che, a lungo termine, sono necessari per consentire l'assistenza robotica personale in altre aree, come l'assistenza sanitaria o i domini dei servizi, " aggiunge Ciocarlie.

Lo studio si intitola "Un dito robotico multicurvo sensoriale con rilevamento tattile guidato dai dati tramite segnali luminosi sovrapposti".