Byle film pokazowy może sprzedać wizję maszyny, która za chwilę będzie składać nam pranie czy opiekować się osobą starszą, ale prawdziwy świat nie jest sterylną sceną demonstracyjną. Szklanka bywa śliska, materiał się marszczy, skóra ma nierówną twardość, a moneta dopiero pod palcem ujawnia mikroskopijne detale, których sama kamera nie jest w stanie w pełni pojąć. Dlatego roboty potrzebują nowego zmysłu i do tego właśnie dążą dziś specjaliści z całego świata.
Robot nie musi mieć ludzkiej skóry, żeby zacząć rozumieć kontakt
Inżynierowie z Queen Mary University of London opracowali nowy, zmieniający kolor czujnik dotykowy. Technologia została opisana w Science Advances pod tytułem High-Resolution Real-Time Mechanochromic Tactile Sensors. Jej sedno jest zaskakująco eleganckie, bo sprowadza się do tego, że niewidzialne dla nas siły nacisku, odkształcenia i kontaktu są zamieniane bezpośrednio w dynamiczne wzory kolorów.
Czytaj też: Dotykowy ekran wygląda przy tym jak relikt. Roboty dostaną skórę, a my wyświetlacze rodem z filmów
Najważniejsze jest jednak to, czego tutaj nie trzeba robić. Klasyczne systemy dotykowe często korzystają z siatek czujników albo z rozwiązań wizyjnych wymagających późniejszego odtwarzania geometrii kontaktu. W praktyce oznacza to więcej elektroniki, więcej danych do przeliczenia, większą złożoność i ryzyko opóźnień. Nowy system idzie inną drogą, bo sama powierzchnia czujnika staje się medium pomiarowym. Kiedy naciskasz miękki materiał, powstają lokalne kolory strukturalne, które zwykła kamera USB może odczytać w czasie rzeczywistym.
Innymi słowy, zamiast upychać w robocie coraz gęstsze macierze elektroniki i później próbować wydobyć z nich sens, badacze przenieśli część “inteligencji” do materiału. W efekcie materiał nie tylko jest dotykany. Materiał sam koduje informację o dotyku.
Człowiek nadal ma przewagę, ale ta przewaga zaczyna się kurczyć
Sasso zwraca uwagę na skalę problemu w prosty sposób – ludzka dłoń ma ponad 10000 mechanoreceptorów, które obsługują coś tak banalnego jak naciśnięcie włącznika światła. Każdy, kto choć raz próbował opisać własny dotyk słowami, wie, jak absurdalnie dużo informacji mieści się w takim momencie. Czy powierzchnia jest twarda? Czy lekko się ugina? Czy krawędź jest ostra? Czy przedmiot zaczyna się przesuwać? Czy nacisk rozkłada się równomiernie?
Czytaj też: Robot dostał skórę, która czuje nacisk i temperaturę
Robotyka przez lata próbowała nadrabiać to kamerami, coraz lepszą kontrolą ruchu i modelami sztucznej inteligencji. Problem w tym, że samo “widzę obiekt” nie oznacza jeszcze “wiem, jak mam go dotknąć”. Pisałem już o tym przy sekrecie zręczności robotów, gdzie kluczowy okazywał się kontakt, tarcie, elastyczność materiałów i nieidealność świata fizycznego. Podobny problem widać też przy uczeniu robotycznej dłoni dotyku, bo symulacja jest tania, szybka i wygodna, ale prawdziwy przedmiot bardzo szybko sprawdza, czy model rozumie fizykę, czy tylko powtarza ruch.
Nowy czujnik z Queen Mary nie rozwiązuje całej robotyki jednym ruchem. Nie daje maszynie świadomości ciała, doświadczenia, pamięci ani ludzkiej intuicji. Pokazuje jednak coś ważnego – być może nie trzeba kopiować skóry człowieka receptor po receptorze, żeby zbliżyć się do jej funkcji. Czasami sensowniejsza jest sztuczka materiałowa, w której fizyka wykonuje część pracy za elektronikę.
Kolor zamiast ciężkiego przetwarzania danych
Najciekawszy fragment tego badania dotyczy kompromisu, z którym mierzy się wizyjne wykrywanie dotyku. Wysoka rozdzielczość zwykle oznacza złożone przetwarzanie i opóźnienia, a szybkie systemy często rezygnują z części szczegółów. Tutaj informacja o kontakcie ma być już obecna w sygnale świetlnym. Innymi słowy, system nie musi mozolnie rekonstruować dotyku z danych pośrednich, bo może go obserwować jako wzór kolorystyczny powstający w materiale.
W praktyce daje to mapy kontaktu, odkształcenia i nacisku o wysokiej rozdzielczości, generowane natychmiast po przyłożeniu siły do miękkiej powierzchni. Badacze chwalą się nawet uchwyceniem linii papilarnych palca, co dobrze pokazuje skalę szczegółowości. Jeżeli więc taki system rzeczywiście będzie dało się skalować i utrzymać w stabilnym działaniu, to może pomóc tam, gdzie robot nie ma prawa działać jak tępy chwytak z fabryki sprzed dekad.
Najprostszy przykład to precyzyjny montaż mikroskopijnych elementów. Jeżeli chwytak widzi, gdzie dokładnie naciska i jak rozkłada się siła, to może korygować ruch zanim uszkodzi delikatny komponent. Drugi obszar to protezy, gdzie bogatszy zmysł dotyku nie jest luksusem, tylko warunkiem naturalniejszego korzystania z kończyny. Trzeci, chyba najbardziej sugestywny, dotyczy chirurgii. Systemy operacyjne mogłyby potencjalnie rozróżniać zdrową i nieprawidłową tkankę na podstawie subtelnych sygnatur nacisku.
Czytaj też: Klasyk z klasy robotniczej dostał serce z przyszłości. Nowy Escort zawstydza niejedno Porsche
Największa wątpliwość? Kolor. Ten sam kolor, który sprawia, że cały pomysł wygląda tak elegancko, może być też jego najbardziej przyziemnym ograniczeniem. Robot nie będzie przecież pracował wyłącznie przy idealnym świetle. Będzie dotykał przedmiotów w cieniu, pod ostrymi lampami, przy odbiciach, zabrudzeniach i zmiennym tle. Skoro kamera ma wyciągać informacje o nacisku z barw pojawiających się w materiale, to chciałbym zobaczyć bardzo konkretną odpowiedź na pytanie, gdzie kończy się sygnał dotyku, a zaczyna zwykła zmiana warunków oświetleniowych. Bez tego trudno mi traktować tę technologię jako coś więcej niż bardzo obiecującą demonstrację.
Robotyczny dotyk przestaje być dodatkiem, ale do rewolucji daleko
Roboty nie mogą już tylko widzieć i wykonywać trajektorii. Muszą zaczynać rozumieć fizyczny kontakt, bo bez tego pozostaną efektownymi maszynami pokazowymi, a nie urządzeniami zdolnymi do pracy w świecie ludzi. Walkę o to widać przy robocie ze skórą czującą nacisk i temperaturę, gdzie połączenie sygnałów mechanicznych i termicznych zaczęło zapewniać znacznie lepsze rozpoznawanie obiektów niż każdy z tych sygnałów osobno.
Przy sztucznej skórze dla robotów chodziło o tanie i precyzyjne czujniki dotyku oparte na kompozytach silikonowych, przy Rho-alpha od Microsoftu o włączenie danych haptycznych do modelu sterującego robotami, a przy neuromorficznej skórze o odruchową reakcję na niebezpieczny nacisk. Wspólny mianownik tego wszystkiego jest prosty – robot przyszłości nie może już tylko obliczać. Musi reagować ciałem.
Oczywiście to nie działa tak, że za chwilę każdy humanoid dostanie taką skórę i ruszy do pracy w naszych domach. Laboratorium to jedno, a prawdziwy świat to kurz, tłuszcz, pot, przypadkowe uderzenia, zużycie materiału, zmiany temperatury, konieczność kalibracji i tysiące cykli pracy. Każdy czujnik dotykowy brzmi pięknie do momentu, w którym trzeba go przykleić do dłoni robota, wysłać do roboty pełnej chaosu i sprawić, żeby działał tak samo dobrze po miesiącu, roku i kilku awariach.
Źródła: Science, TechXplore
