Имитация чувствительности кончика пальца человека для роботизированных устройств и приложений

С помощью 1,6 миллиона наностолбиков сделанных из нитрида галлия (GaN) и расположенных на каждом датчике команда Мичиганского университета смогла обеспечить чувствительность для роботизированных систем на уровне человеческого соматического восприятия с направленностью в компактной и простой в изготовлении системе.

По мере того, как роботизированные устройства, такие как искусственные протезы и человеко-компьютерные интерфейсы, все больше интегрируются в общество, исследователи все глубже изучают чувствительность устройств, выполняющих ту же функцию, что и руки.

Кончики пальцев человека удивительно чувствительны. Они могут сообщать детали объекта размером до 40 мкм (примерно половина ширины человеческого волоса), определять тончайшие различия в текстурах поверхности и применять силу, достаточную для того, чтобы без труда поднять яйцо или достаточно тяжёлый пакет с собачьим кормом без соскальзывания пальцев с поверхности упаковки.

Пальцы человека также могут относительно легко манипулировать объектами.

Инженеры давно работали над имитацией этой способности для возможного использования в промышленных роботах, коллаборативных роботах или протезах с разным уровнем успеха. Учёные из Мичиганского университета недавно сообщили об улучшенном методе тактильного восприятия, который определяет направленность, а также получает обратную связь о применении силы с высоким уровнем чувствительности.

Благодаря высокому разрешению система идеально подходит для роботизированных и гиперконвергентных (с дружественным человеку интерфейсом) приложений. Датчики для таких устройств относительно просты в изготовлении.

«Мы преодолеваем разрыв между людьми и компьютерами, поэтому, возможно, мы сможем научить робота чувствовать объекты способом, который будет ближе к нашим собственным возможностям», — сказал докторант Натан Дворжак.

Дворжак является членом группы под руководством профессора П.К. Ку, которая последние несколько лет занимается разработкой тактильных датчиков.

Они первыми интегрировали высокочувствительное осязание вместе с направленностью с помощью асимметричных наностолбиков, поэтому протез может более плотно схватить падающий объект, а человеко-компьютерный интерфейс может отличать подъем от падения.

В качестве доказательства концепции команда построила датчик размером примерно с кончик пальца, который содержит 1,6 миллиона наностолбиков из нитрида галлия. Этот материал был выбран для использования из-за его способности измерять силу благодаря врождённому пьезоэлектрическому свойству, что означает его способность генерировать электрический заряд при нажатии.

А эллиптическая форма и расположение наностолбиков являются ключом к успеху в обнаружении системой направленности.

Самая маленькая единица всей архитектуры - это наностолбик. Каждый из таких элементов имеет эллиптическую форму и высоту 450 нанометров, что примерно в 1000 раз меньше ширины человеческого волоса.

И каждый наностолбик оснащён своим собственным светодиодом.

Эти элементы сгруппированы в отдельные массивы 100150 единиц в форме прямоугольника, что составляет 12 500 наностолбиков в массиве. Затем каждый массив группируется в непосредственной близости со вторым массивом под прямым углом к нему.

Такое расположение является ключом к его способности определять направление. Два ортогональных массива называются узлом. Полный датчик состоит из 64 узлов в форме квадрата.

Система достаточно чувствительна, чтобы различать отдельные бороздки на отпечатке пальца. Когда выступ отпечатка пальца проходит над наностолбиками, он изгибает их, вызывая уменьшение интенсивности света, что приводит к общему эффекту мерцания, когда палец перемещается по датчику.

Поскольку датчик способен определять направление приложенного усилия, он может затем предупредить будущий протез о том, что объект может выпасть из его захвата, требуя более крепкого захвата.

Система не требует сложных электрических межблоковых соединений, которые требуют очень высокой однородности производства.

Он также использует хорошо известные методы производства, которые легко воспроизводимы.

«И нам не требуется стопроцентная производительность наших устройств или даже близкая к ней», — сказал Дворжак. «На одном из моих текущих устройств датчик содержит 1,6 миллиона наностолбиков, и он по-прежнему эффективен, даже если 25% элементов в массиве повреждены во время производства, потому что мы регистрируем изменение интенсивности света, а не его абсолютное значение." Датчик может различать объекты размером всего 4,3 микрона, что сделало его почти в 10 раз более чувствительным, чем у кончика пальца человека.

И он может определить вес объекта, похожего на скрепку, так как минимальную чувствительность массы фиксирует от величины около 0,1 грамма.

В лаборатории был создан действующий образец в качестве доказательства работоспособности концепции, который использует готовый формирователь изображений для обнаружения изменения света, которое происходит при прикосновении к поверхности.

Сейчас изобретатели работают над созданием полной системы.

После того, как текущая система будет устойчиво работать с выделением электрических импульсов, дающих энергию для формирования светового потока, команда разработчиков установит датчик поверх CMOS-датчика изображений, который будет фиксировать изменения интенсивности света, и подключит его к микропроцессору для автоматической обработки информации.