Ingenjörer utvecklar banbrytande ”robothud”

Credit: UBC Applied Science/Paul Joseph
Credit: UBC Applied Science/Paul Joseph

Smart, töjbar och mycket känslig – en ny mjuk sensor som utvecklats av forskare vid UBC och Honda öppnar dörren för ett brett spektrum av tillämpningar inom robotik och proteser.

När sensorhuden appliceras på ytan av en armprotes eller ett robotben ger den beröringskänslighet och fingerfärdighet, vilket möjliggör uppgifter som kan vara svåra för maskiner, till exempel att plocka upp en bit mjuk frukt. Sensorn är också mjuk vid beröring, som mänsklig hud, vilket bidrar till att göra mänskliga interaktioner säkrare och mer verklighetstrogna.

”Vår sensor kan känna av flera olika typer av krafter, vilket gör att en protes- eller robotarm kan reagera på taktila stimuli med fingerfärdighet och precision. Armen kan till exempel hålla ömtåliga föremål som ett ägg eller ett glas vatten utan att krossa eller tappa dem”, säger studiens författare Dr Mirza Saquib Sarwar, som skapade sensorn som en del av sitt doktorandarbete i elektro- och datateknik vid UBC:s fakultet för tillämpad vetenskap.

Ger maskiner en känsla för beröring

Sensorn består huvudsakligen av silikongummi, samma material som används för att skapa många specialeffekter för hud i filmer. Teamets unika design ger den förmågan att böjas och skrynklas, precis som mänsklig hud.

”Vår sensor använder svaga elektriska fält för att känna av objekt, även på avstånd, ungefär som pekskärmar gör. Men till skillnad från pekskärmar är den här sensorn flexibel och kan känna av krafter i och längs dess yta. Denna unika kombination är avgörande för att tekniken ska kunna användas av robotar som är i kontakt med människor”, förklarar Dr. John Madden, senior studieförfattare och professor i elektro- och datateknik som leder Advanced Materials and Process Engineering Laboratory (AMPEL) vid UBC.

Sensorn och dess arbetsprincip. (A) Elektrodarkitekturens ovanifrånvy (vänster) och sidovy (höger) (B) Sensorelektrodens layout med fyra toppelektroder (blå E1-E4) och en bottenelektrod (röd). Elektriska fält kopplas direkt mellan de övre och undre elektroderna (X1), medan vissa fringande fält (X2, X3) sträcker sig över enhetens plan och kan kopplas till ett finger för närhetsdetektering. Enheten är en ömsesidig kapacitiv sensor där (D) ett applicerat tryck förskjuter de övre elektroderna (ursprungligen grå) nedåt (blå) för att öka kopplingen till den nedre elektroden (röd), medan (E) skjuvning detekteras av den laterala förskjutningen och varierande överlappningen mellan de övre och nedre elektroderna (dielektrikum utelämnat för tydlighetens skull). I (F) har delar av sensorn skurits bort för att visa strukturen och elektrodarrangemanget. (G) Tvärsnitt av sensorn som visar lokaliserad buckling vid skjuvning med ett finger. Kredit: Scientific Reports (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-43714-6
Sensorn och dess arbetsprincip. (A) Elektrodarkitekturens ovanifrånvy (vänster) och sidovy (höger) (B) Sensorelektrodens layout med fyra toppelektroder (blå E1-E4) och en bottenelektrod (röd). Elektriska fält kopplas direkt mellan de övre och undre elektroderna (X1), medan vissa fringande fält (X2, X3) sträcker sig över enhetens plan och kan kopplas till ett finger för närhetsdetektering. Enheten är en ömsesidig kapacitiv sensor där (D) ett applicerat tryck förskjuter de övre elektroderna (ursprungligen grå) nedåt (blå) för att öka kopplingen till den nedre elektroden (röd), medan (E) skjuvning detekteras av den laterala förskjutningen och varierande överlappningen mellan de övre och nedre elektroderna (dielektrikum utelämnat för tydlighetens skull). I (F) har delar av sensorn skurits bort för att visa strukturen och elektrodarrangemanget. (G) Tvärsnitt av sensorn som visar lokaliserad buckling vid skjuvning med ett finger. Kredit: Scientific Reports (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-43714-6

Sensorn och dess arbetsprincip. (A) Elektrodarkitekturens ovanifrånvy (vänster) och sidovy (höger) (B) Sensorelektrodens layout med fyra toppelektroder (blå E1-E4) och en bottenelektrod (röd). Elektriska fält kopplas direkt mellan de övre och undre elektroderna (X1), medan vissa fringande fält (X2, X3) sträcker sig över enhetens plan och kan kopplas till ett finger för närhetsdetektering. Enheten är en ömsesidig kapacitiv sensor där (D) ett applicerat tryck förskjuter de övre elektroderna (ursprungligen grå) nedåt (blå) för att öka kopplingen till den nedre elektroden (röd), medan (E) skjuvning detekteras av den laterala förskjutningen och varierande överlappningen mellan de övre och nedre elektroderna (dielektrikum utelämnat för tydlighetens skull). I (F) har delar av sensorn skurits bort för att visa strukturen och elektrodarrangemanget. (G) Tvärsnitt av sensorn som visar lokaliserad buckling vid skjuvning med ett finger. Kredit: Scientific Reports (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-43714-6

UBC-teamet utvecklade tekniken i samarbete med Frontier Robotics, Hondas forskningsinstitut. Honda har varit innovativa inom humanoid robotteknik sedan 1980-talet och utvecklade den välkända roboten ASIMO. Man har också utvecklat enheter som hjälper människor att gå, och den nya roboten Honda Avatar Robot.

”Dr. Maddens laboratorium har betydande expertis inom flexibla sensorer och vi är glada över att samarbeta med detta team för att utveckla taktila sensorer som kan användas i robotar”, säger Ryusuke Ishizaki, en av studiens huvudförfattare och chefsingenjör på Frontier Robotics.

Praktisk och skalbar

Forskarna menar att den nya sensorn är enkel att tillverka, vilket gör den lätt att skala upp för att täcka stora ytor och tillverka i stora kvantiteter.

Dr. Madden noterade att sensorer och intelligens gör maskiner mer kapabla och verklighetstrogna, vilket i allt högre grad gör det möjligt för människor att arbeta och leka tillsammans med dem, men att mycket mer kan uppnås.

”Människans hud har hundra gånger fler avkänningspunkter på en fingertopp än vad vår teknik har, vilket gör det lättare att tända en tändsticka eller sy. Eftersom sensorerna fortsätter att utvecklas till att bli mer hudliknande och även kan känna av temperatur och till och med skador, måste robotarna vara smartare när det gäller vilka sensorer de ska uppmärksamma och hur de ska reagera. Utvecklingen av sensorer och artificiell intelligens kommer att behöva gå hand i hand.”

Artikeln har publicerats i tidskriften Scientific Reports.

Ytterligare information: Mirza S. Sarwar et al, Touch, press and stroke: a soft capacitive sensor skin, Scientific Reports (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-43714-6

Bli först med att kommentera

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte att publiceras.