Robotický prst čte dotek jako barvu. V laboratoři rozezná rýhy na bříšku prstu

Robotická ruka, která má zvednout vejce a nerozbít ho, potřebuje vědět, kde přesně se skořápky dotýká a jak silně. Skupina ze čtyř evropských univerzit na to zkusila jinou cestu než dosavadní senzory: místo mřížky čidel použila gumu, která pod tlakem mění barvu, a tu barvu čte obyčejná kamera.

Práce vyšla 3. července v časopise Science Advances. Podepsalo ji sedm autorů z Queen Mary University of London a z univerzit ve Florencii, Terstu a Trentu.

Buď jemné rozlišení, nebo žádné zpoždění

Dosavadní hmatové senzory se dělí na dvě rodiny a každá má svou nevýhodu. Ta první staví na taxelech, tedy jednotlivých čidlech, která měří sílu nebo tlak v jednom bodě, podobně jako pixel měří jas v jednom bodě obrazu. Bývají kapacitní, odporové nebo piezoelektrické a pracují v reálném čase, jenže jemnost mapy jim shora omezuje velikost čidla, jeho rozteč, vodiče a přeslechy mezi sousedy. Autoři v abstraktu píšou, že ani dopočítávání strojovým učením takový senzor zpravidla nedostane pod milimetr.

Druhá rodina používá jen kameru schovanou pod měkkou vrstvou. Rozlišení má lepší, ale surový obraz se musí přepočítat na trojrozměrnou mapu doteku, a to trvá. Vzniká zpoždění, které při chytání pohyblivého předmětu vadí.

Braggův reflektor mezi dvěma silikony

Nový senzor je sendvič. Uprostřed leží roztažitelný mechanochromní Braggův reflektor: vrstvený polymer, ve kterém se pravidelně střídají oblasti s různou hustotou, a tedy i s různým indexem lomu. Taková struktura odráží jen určité vlnové délky, takže barva nevzniká barvivem, ale samotným uspořádáním vrstev. Když se reflektor stlačí, vrstvy se ztenčí a odražená barva se posune. Nad ním i pod ním je měkký silikon a na jeho tloušťce záleží, jestli senzor mapuje spíš tlak, nebo spíš deformaci.

Podle popisu, který Giacomo Sasso dal časopisu IEEE Spectrum, vzniká reflektor sedmiminutovým osvitem světlocitlivého filmu červeným laserem o vlnové délce 635 nanometrů. Laser ve filmu vytvoří interferenční obrazec a ten způsobí, že polymer ztuhne ve střídavě hustých vrstvách. Postup Sasso převzal z cizí práce o mechanochromních materiálech a v laboratoři ho podle svých slov zopakoval za necelý týden.

Hotový prst má tvar bříška, uvnitř je průhledný silikon a v něm zapuštěná kamera s diodou. Světlo z diody projde průhlednou částí, odrazí se od reflektoru a vrátí se do kamery. Nejmenší deformace se jeví červeně, silnější zeleně a nejsilnější modře. Vnější silikon je obarvený načerno, aby kamera barvy lépe rozlišila.

Prst, mince a list

Jako ukázku tým vyfotil topologické mapy lidského bříška prstu, jednocentové mince a listu. Rozlišení vyšlo kolem sta mikrometrů, tedy desetiny milimetru, a podle abstraktu k tomu nebylo potřeba žádné dopočítávání ani žádný výpočetní krok, který by přidal zpoždění.

„Byli jsme rádi, že se povedlo zachytit rýhy na prstu, protože žádná existující technologie takovou hustotu snímání při srovnatelném rozsahu a jednoduchosti nedokáže,“ říká Sasso v tiskové zprávě Queen Mary University of London (přeloženo z angličtiny). Táž zpráva připomíná, že v lidské ruce je přes deset tisíc mechanoreceptorů. Snímání se podle Sassa přesunulo do materiálu: kamera už jen převádí to, co guma sama dělá, na digitální signál.

Co na to obor

Rich Walker, ředitel britské firmy Shadow Robot, řekl Spectru, že je to zřetelně jiný přístup než ostatní a že roboticky zaměřené laboratoře tím dostávají další možnost, se kterou mohou experimentovat. Za podstatné považuje, že senzor kromě tvaru vydá i číselný údaj o hloubce a velikosti nerovnosti; většina konkurenčních řešení podle něj dá jen relativní mapu.

Michael Wang, spoluzakladatel a hlavní vědec firmy Daimon Robotics, uvítal nový směr taky, ale zůstal zdrženlivý. Měkké materiály se podle něj opotřebovávají, a jakmile povrch zestárne nebo se poškodí, nemusí signál odpovídat skutečnému tvaru předmětu tak přesně. „Praktický a užitečný přínos, zvlášť v souvislosti s robotickými rukama, se teprve musí otestovat a ověřit,“ řekl Spectru (přeloženo z angličtiny). Sasso proti tomu namítá, že reflektor se předmětu nedotýká přímo a chrání ho vnější silikonová vrstva.

Stojí za pozornost, že tisková zpráva univerzity mluví o prvním řešení v reálném čase v oboru, kdežto abstrakt studie je opatrnější a hovoří o dosud nevídané kombinaci vysokého rozlišení, práce v reálném čase a jednoduchosti. To je jiné tvrzení: první z nich vylučuje konkurenci, druhé jen říká, že takhle pohromadě to zatím nikdo neměl.

Tým teď chce senzor upravit tak, aby snímal i předměty, které neleží naplocho, a jedná o něm s firmami. Federico Carpi z Univerzity ve Florencii jako možné využití zmiňuje chirurgické nástroje, které by při dotyku rozlišily zdravou a nemocnou tkáň. Do robotické ruky, která by s ním něco uchopila, ale senzor zatím zabudovaný není, a přesně to je podle Wanga zkouška, která teprve ukáže, jestli je k něčemu.