Устройство ME-SOFS преобразует касание в движение благодаря камерам, наполненным жидкостью, что даёт возможность реализовать тактильное восприятие без использования электрических компонентов, причём чувствительность можно настраивать.
Евгения Васильева
Тактильный человеко-машинный интерфейс на основе ME-SOFS ускоряет обучение робота выполнению задач по захвату предметов. Источник: NUS CDE/TechXplore
Разработка ME-SOFS открывает новые горизонты для автономных роботизированных систем, способных функционировать в условиях, где традиционная электроника выходит из строя. Например, в подводных исследованиях или при проведении медицинских операций внутри тела человека, где влажность, температура и электромагнитные помехи делают использование стандартных датчиков рискованным.
Полностью механическая природа сенсора позволяет избежать коротких замыканий и сбоев, а его мягкая конструкция снижает риск повреждения тканей или хрупких объектов. Это делает технологию перспективной для создания безопасных и адаптивных манипуляторов, которые могут работать в агрессивных средах без необходимости в сложной электронной защите.
Силовой датчик в помощь
Исследовательская группа создала силовой датчик, благодаря которому роботы способны определять прикосновения и немедленно отвечать на них, не нуждаясь в электронных схемах, вычислительных блоках или внешнем источнике энергии.
Разработка, получившая название ME-SOFS (механический датчик мягкого контакта), превращает приложенное усилие непосредственно в поток жидкости, который приводит в действие мягкие роботизированные исполнительные механизмы. Таким образом формируется полностью механический путь преобразования сигнала в движение.
Система целиком выполнена из гибких материалов и не требует стандартных электронных датчиков и управляющих контуров. Это упрощает конструкцию и уменьшает количество мест, где могут возникнуть неисправности.
Данная инновация, созданная командой Колледжа дизайна и инженерии Национального университета Сингапура, способна повысить эффективность мягких роботов, работающих под водой, внутри человеческого тела или в других экстремальных условиях, где электронные системы оказываются уязвимыми.
Особый интерес представляет возможность настройки чувствительности датчика без изменения базового принципа его работы. Меняя геометрию напечатанной структуры, инженеры могут адаптировать устройство для различных задач — от точного измерения микроскопических усилий в микрохирургии до грубой силы захвата в промышленных роботах.
Эта гибкость делает ME-SOFS универсальным инструментом, который можно быстро кастомизировать под конкретные требования, не перепроектируя всю систему заново. Более того, использование 3D-печати позволяет изготавливать такие датчики в едином цикле, что удешевляет производство и упрощает масштабирование.
Прикосновение приводит роботов в действие
Сенсор ME-SOFS представляет собой напечатанную на 3D-принтере мягкую пористую структуру, предназначенную для прямого преобразования тактильных ощущений в механическое действие, минуя электронную обработку. Конструкция включает центральную стойку, вокруг которой расположены пять заполненных жидкостью камер: четыре из них ориентированы горизонтально и одна — вертикально.
Когда прикладывается усилие, колонна наклоняется в сторону точки касания, сжимая соответствующую камеру и выталкивая жидкость через мягкие трубки к исполнительным элементам. Это обеспечивает мгновенный отклик на воздействие, причём каждая камера функционирует независимо, что позволяет различать усилия, действующие в горизонтальном, боковом и вертикальном направлениях.
Чувствительность датчика можно адаптировать под разные задачи, меняя геометрию напечатанной на 3D-принтере структуры. Корректировка таких параметров, как диаметр отверстия, толщина наклонной поверхности и угол наклона центральной части пены, позволяет устройству определять различные уровни силы, не изменяя основного принципа работы.
Помимо механической реакции, система также генерирует измеримый электрический сигнал через пассивную схему. При перемещении жидкости маленькие магниты движутся мимо 3D-печатных металлических дуг, создавая импульсы напряжения за счёт электромагнитной индукции — по принципу, схожему с работой велосипедной динамо-машины.
По заявлению разработчиков, количество импульсов напрямую соответствует приложенному усилию, что позволяет проводить точные измерения без применения электроники. Конструкция, основанная на жидкости, также открывает возможности для надёжного тактильного восприятия и физической обратной связи в роботизированных системах, функционирующих в сложных условиях.
«Эта работа является ярким примером того, как само физическое тело может воспроизводить сенсомоторное поведение без необходимости в системе управления, что можно рассматривать как аналог нервной системы в биологии», — отметила Сесилия Ласки с кафедры машиностроения Национального университета Сингапура в своей статье.
Не менее важно, что генерируемый системой электрический сигнал позволяет точно измерять приложенное усилие без использования сложной электроники. Это открывает путь к созданию гибридных систем, где механический отклик дополняется цифровой аналитикой.
Например, собранные данные о захватах могут быть использованы для обучения роботов, как это было показано с мягкой тактильной накладкой. Робот, запоминая успешные последовательности движений, может автоматизировать рутинные операции, такие как сортировка хрупких товаров или сборка узлов, повышая надежность и производительность.
Датчик преобразует прикосновение в движение без использования электроники, что позволяет создавать более простые мягкие роботы для работы в суровых условиях. Источник: NUS CDE/TechXplore
Инстинктивные мягкие роботы
Универсальность ME-SOFS была продемонстрирована при интеграции в различные системы мягких роботов. Мягкая перчатка с пятью миниатюрными датчиками, каждый размером с зелёную горошину, была напечатана на 3D-принтере как единое целое без ручной сборки. Надетая на руку, перчатка измеряла силу захвата на каждом пальце и точно определяла вес предметов, что открывает возможности для применения в протезировании и передовых интерфейсах взаимодействия человека и машины.
Команда также соединила датчик с мягкой тактильной накладкой, надеваемой на кончики пальцев, чтобы создать систему осязательной обратной связи. Давление жидкости, создаваемое роботизированным захватом, передавалось непосредственно на накладку, позволяя оператору оценивать силу захвата только на ощупь при работе с самыми разными объектами — от хрупких яиц до деревянных блоков и частично заполненных бутылок с водой. Записанные показатели силы впоследствии воспроизводились, чтобы научить робота самостоятельно повторять успешные движения захвата.
Интеграция сенсора в перчатку с пятью датчиками продемонстрировала потенциал для протезирования нового поколения. В отличие от традиционных протезов, которые полагаются на электрические сигналы, такой подход обеспечивает более естественную обратную связь, приближенную к биологической. Пациенты могли бы не только контролировать силу захвата, но и ощущать форму и текстуру предметов за счет передачи давления жидкости.
Это шаг к созданию протезов, которые не просто выполняют команды, но и дают пользователю тактильные ощущения, необходимые для тонкой моторики и повседневных действий.
Датчик также управлял каплями жидкости в миниатюрном жидкостном устройстве и направлял гибкие структуры, похожие на волосы, без использования программного обеспечения. Он сохранял работоспособность при температуре воды до 90 °C и давлении, эквивалентном глубине около 11 метров, а также устойчив к электромагнитным помехам, поскольку не содержит электронных компонентов.
Команда подчеркнула, что будущие исследования будут направлены на миниатюризацию системы и масштабирование силы воздействия для более широкого применения в робототехнике.
Исследователи также стремятся интегрировать сенсорно-исполнительный контур непосредственно в мягких роботов, чтобы обеспечить инстинктивные реакции, а также использовать его мощные силовые сигналы для улучшения восприятия и взаимодействия в сложных средах.
В перспективе команда планирует полностью избавиться от электрических элементов, создав чисто механический сенсорно-исполнительный контур, который будет работать как рефлекторная дуга. Это позволит роботам реагировать на внешние воздействия мгновенно, без задержек на обработку сигналов, что критично для высокоскоростных операций или аварийных ситуаций.
Такие «инстинктивные» мягкие роботы смогут автономно принимать решения, избегая препятствий, адаптируя захват и даже самовосстанавливаясь после деформаций, что станет прорывом в создании по-настоящему живых машин. Оригинальное исследование было опубликовано в журнале Science Advances.
Кстати, мы писали что инженеры разработали миниатюрный насос на основе жидкого металла, размер которого сопоставим с горошиной. Это устройство способно сделать мягких роботов более лёгкими, компактными и подвижными. Новый низковольтный насос предназначен для портативных мягких робототехнических систем и носимых устройств.