Jutiklyje naudojamų medžiagų ir roboto manipuliatoriaus jutimo matricos schema. Paveikslas iš daugialypės struktūros miniatiūrinių 3D jėgos jutiklių. Atkurta pagal CC BY 4.0 licenciją.
Robotai tampa vis pajėgesni regėjimui ir judėjimui, tačiau prisilietimas išlieka viena iš pagrindinių jų silpnybių. Dabar mokslininkai sukūrė miniatiūrinį lytėjimo jutiklį, kuris galėtų suteikti robotams kažką daug artimesnio žmogaus lytėjimo pojūčiui.
Kembridžo universiteto mokslininkų sukurta technologija paremta skystais metalo kompozitais ir grafenu – dvimačiu anglies pavidalu. „Oda“ leidžia robotams aptikti ne tik tai, kaip stipriai jie spaudžia objektą, bet ir taikomų jėgų kryptį, ar objektas slysta, ir net koks grubus paviršius, pakankamai mažu mastu, kad galėtų konkuruoti su žmogaus pirštų galiukų erdvine skiriamąja geba. Jų rezultatai skelbiami žurnale Gamtos medžiagos.
Žmogaus pirštai remiasi kelių tipų mechanoreceptoriais, kad tuo pačiu metu jaustų slėgį, jėgą, vibraciją ir tekstūrą. Tokio lygio daugiamačio lytėjimo suvokimo atkūrimas dirbtinėse sistemose yra didelis iššūkis, ypač įrenginiuose, kurie yra pakankamai maži ir patvarūs praktiniam naudojimui.
„Dauguma esamų lytėjimo jutiklių yra per dideli, per trapūs, per sudėtingi gaminti arba negali tiksliai atskirti normalių ir tangentinių jėgų“, – sakė tyrimui vadovavęs profesorius Tawfique’as Hasanas iš Kembridžo grafeno centro. „Tai buvo pagrindinė kliūtis pasiekti tikrai gudrų robotų manipuliavimą.
Norėdami tai įveikti, tyrėjų komanda sukūrė minkštą, lanksčią kompozicinę medžiagą, sujungusią grafeno lakštus, deformuojamus metalo mikrolašelius ir nikelio daleles, įterptas į silikono matricą.
Įkvėpti žmogaus odoje randamų mikrostruktūrų, mokslininkai medžiagą suformavo į mažas piramides, kurių kai kurių skersmuo siekė 200 mikrometrų. Šios piramidės struktūros sutelkia įtampą savo galiukuose, todėl jutiklis gali aptikti ypač mažas jėgas, išlaikant platų matavimo diapazoną.
Rezultatas yra lytėjimo jutiklis, pakankamai jautrus, kad aptiktų smėlio grūdelį. Palyginti su esamais lanksčiais lytėjimo jutikliais, naujasis įrenginys padidina dydį ir aptikimo ribas maždaug dydžiu.
Jutiklis taip pat gali atskirti šlyties jėgas nuo įprasto slėgio, o tai leidžia aptikti, kada objektas pradeda slysti. Matuodamas signalus iš keturių elektrodų, esančių po kiekviena piramide, jutiklis gali matematiškai atkurti visą trimatį jėgos vektorių realiu laiku.
Demonstracijų metu komanda jutiklius integravo į robotų griebtuvus. Robotai sugebėjo sugriebti trapius objektus, pavyzdžiui, plonus popierinius vamzdelius, jų nesutraiškydami. Skirtingai nuo įprastų jėgos jutiklių, kurie remiasi išankstine informacija apie objekto savybes, naujoji sistema prisitaiko realiuoju laiku aptikdama slydimą.
Net mažesnėmis mastelėmis mikrojutikliai gali nustatyti mažų metalinių sferų masę, geometriją ir medžiagos tankį, analizuodami jėgos dydį ir kryptį. Tai atveria galimybes naudoti minimaliai invazinėje chirurgijoje ar mikrorobotikoje, kur įprasti jėgos jutikliai yra per dideli.
Be robotikos, ši technologija gali turėti reikšmingos įtakos protezavimui. Pažangios dirbtinės galūnės vis labiau priklauso nuo lytėjimo, kad naudotojams būtų suteiktas lytėjimo pojūtis. Labai jautrūs, miniatiūriniai 3D jėgos jutikliai gali sudaryti sąlygas natūralesnei sąveikai su objektais, pagerindami valdymą, saugumą ir naudotojų pasitikėjimą.
„Mūsų požiūris rodo, kad norint pasiekti didelės raiškos 3D lytėjimo jutimą, nereikia didelių mechaninių struktūrų ar sudėtingos optikos“, – sakė pagrindinis autorius dr. Guolin Yun, buvęs Kembridžo karališkosios draugijos Niutono narys, o dabar Kinijos mokslo ir technologijų universiteto profesorius. „Sujungę išmaniąsias medžiagas su odos įkvėptomis struktūromis, pasiekiame našumą, kuris yra nepaprastai artimas žmogaus prisilietimui.
Žvelgdami į ateitį, mokslininkai mano, kad jutikliai gali būti dar labiau sumažinti, galbūt mažesni nei 50 mikrometrų, priartėdami prie mechanoreceptorių tankio žmogaus odoje. Ateities versijose taip pat gali būti integruotas temperatūros ir drėgmės jutiklis, priartėdamas prie visiškai daugiarūšio dirbtinio odos.
Kadangi robotai vis dažniau iškeliauja iš kontroliuojamos gamyklos aplinkos ir patenka į namus, ligonines ir nenuspėjamas realaus pasaulio aplinkas, tokie ryšio pažanga gali būti transformuojanti – leisti mašinoms ne tik matyti ir veikti, bet ir tikrai jausti.
Patento paraiška buvo pateikta per Cambridge Enterprise, universiteto inovacijų skyrių. Tyrimą palaikė Karališkoji draugija, Henry Royce institutas ir Išplėstinė tyrimų ir išradimų agentūra (ARIA). Tawfique Hasan yra Čerčilio koledžo, Kembridžo, narys.
Nuoroda
Daugialypės struktūros miniatiūriniai 3D jėgos jutikliai, Guolin Yun, Zesheng Chen, Zhuo Chen, Jinrui Chen, Binghan Zhou, Mingfei Xiao, Michael Stevens, Manish Chhowalla ir Tawfique HasanGamtos medžiagos (2026).
Kembridžo universitetas
