”Jag ska få dig att äta ur min handflata” är ett osannolikt uttalande från en robot. Varför inte? De flesta av dem har inte handflator.
Om du har följt med i det proteiska fältet har det varit en pågående Herculeansträngning att gripa och greppa mer som människor. Nu har en ny robothanddesign som utvecklats i MIT: s Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) omprövat den ofta förbisedda handflatan. Den nya designen, som beskrivs i ett dokument som publicerats på arXiv preprint-servern, använder avancerade sensorer för en mycket känslig beröring, vilket hjälper ”extremiteten” att hantera föremål med mer detaljerad och känslig precision.
GelPalm har en gelbaserad, flexibel sensor inbäddad i handflatan, inspirerad av den mjuka, deformerbara naturen hos mänskliga händer. Sensorn använder en speciell färgbelysningsteknik som använder röda, gröna och blå lysdioder för att belysa ett objekt och en kamera för att fånga upp reflektioner. Denna blandning genererar detaljerade 3D-ytmodeller för exakta robotinteraktioner.
Och vad skulle handflatan vara utan sina hjälpande fingrar? Teamet utvecklade också några robotfalanger, kallade ROMEO (”RObotic Modular Endoskeleton Optical”), med flexibla material och liknande sensorteknik som handflatan. Fingrarna har något som kallas ”passiv följsamhet”, vilket innebär att en robot kan anpassa sig till krafter på ett naturligt sätt, utan att behöva motorer eller extra kontroll. Detta bidrar i sin tur till det större målet: att öka ytan i kontakt med föremål så att de kan omslutas helt. Fingerdesignen tillverkas som enskilda, monolitiska strukturer via 3D-printing och är därmed en kostnadseffektiv produktion.
Utöver förbättrad fingerfärdighet erbjuder GelPalm säkrare interaktion med föremål, något som är särskilt praktiskt för potentiella tillämpningar som samarbete mellan människa och robot, proteser eller robothänder med människoliknande avkänning för biomedicinsk användning.
Många tidigare robotdesigner har vanligtvis fokuserat på att förbättra fingerfärdigheten. Lius metod flyttar fokus för att skapa en mer människoliknande, mångsidig endeffektor som interagerar mer naturligt med föremål och utför ett bredare spektrum av uppgifter.
”Vi har hämtat inspiration från människans händer, som har stela ben omgivna av mjuk, följsam vävnad”, säger Sandra Q. Liu, Ph.D., huvuddesignern av GelPalm, som nyligen tog examen från MIT och som utvecklade systemet som CSAIL-ansluten och doktorand i maskinteknik.
”Genom att kombinera stela strukturer med deformerbara, följsamma material kan vi bättre uppnå samma adaptiva talang som våra skickliga händer. En stor fördel är att vi inte behöver några extra motorer eller mekanismer för att styra handflatans deformation – den inbyggda följsamheten gör att den automatiskt kan forma sig runt föremål, precis som våra mänskliga handflator gör så skickligt.”
Forskarna satte handflatans design på prov. Liu jämförde den taktila avkänningsprestandan hos två olika belysningssystem – blå lysdioder jämfört med vita lysdioder – som integrerats i ROMEO-fingrarna.
”Båda gav liknande högkvalitativa taktila 3D-rekonstruktioner när man tryckte in föremål i gelytorna”, säger Liu.
Men det avgörande experimentet, säger hon, var att undersöka hur väl de olika handflatskonfigurationerna kunde omsluta och stabilt greppa föremål. Teamet gick praktiskt tillväga och smorde bokstavligen in plastföremål i färg och pressade dem mot fyra typer av handflator: styva, strukturellt följsamma, gel följsamma och deras dubbla följsamma design.
”Visuellt och genom att analysera den målade kontaktytan var det tydligt att både strukturell och materiell följsamhet i handflatan gav betydligt mer grepp än de andra”, säger Liu. ”Det är ett elegant sätt att maximera handflatans roll när det gäller att uppnå stabila grepp.”
En betydande begränsning är utmaningen att integrera tillräckligt med sensorisk teknik i handflatan utan att göra den skrymmande eller alltför komplex. Användningen av kamerabaserade taktila sensorer medför problem med storlek och flexibilitet, menar teamet, eftersom den nuvarande tekniken inte enkelt tillåter omfattande täckning utan kompromisser i design och funktionalitet. För att lösa detta skulle man kunna utveckla mer flexibla material för speglar och förbättra sensorintegrationen för att bibehålla funktionaliteten utan att kompromissa med den praktiska användbarheten.
”Handflatan är nästan helt förbisedd i utvecklingen av de flesta robothänder”, säger Matei Ciocarlie, Associate Professor vid Columbia University, som inte var involverad i arbetet. ”Det här arbetet är anmärkningsvärt eftersom det introducerar en ändamålsenligt utformad, användbar handflata som kombinerar två viktiga funktioner, artikulation och avkänning, medan de flesta robothandflator saknar båda. Den mänskliga handflatan är både subtilt ledad och mycket känslig, och detta arbete är en relevant innovation i denna riktning.”
”Jag hoppas att vi rör oss mot mer avancerade robothänder som blandar mjuka och styva element med taktil känslighet, helst inom de närmaste fem till tio åren. Det är ett komplext område där det inte finns någon tydlig konsensus om den bästa handdesignen, vilket gör det här arbetet extra spännande”, säger Liu.
”När jag utvecklade GelPalm och ROMEO-fingrarna fokuserade jag på modularitet och överförbarhet för att uppmuntra ett brett spektrum av design. Genom att göra den här tekniken billig och enkel att tillverka kan fler människor vara innovativa och utforska. Jag är bara ett labb och en person inom detta enorma område, och min dröm är att dela med mig av min kunskap för att få igång utvecklingen och inspirera andra.”
Ted Adelson, John and Dorothy Wilson Professor of Vision Science vid Department of Brain and Cognitive Sciences och CSAIL-medlem, är huvudförfattare till en artikel som beskriver arbetet.
Ytterligare information: Sandra Q. Liu et al, A Passively Bendable, Compliant Tactile Palm with RObotic Modular Endoskeleton Optical (ROMEO) Fingers, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2404.08227
