«Искусственная кожа» с графеном приближает роботов к человеческому прикосновению

Роботы постоянно совершенствуют свое зрение и движения, но их «ахиллесовой пятой» остается чувство осязания. Исследователи представили миниатюрный тактильный датчик, способный дать машинам ощущения, максимально приближенные к человеческим.

Разработка Кембриджского университета описана в журнале Nature Materials. Он основан на композитах жидкого металла и графена, двумерной формы углерода. Эта «кожа» позволяет роботам не только определять силу давления на объект, но и распознавать направление приложенной силы, обнаруживать начало скольжения объекта и даже оценивать шероховатость поверхности. При этом сенсор настолько компактен, что его разрешение не уступает пространственной чувствительности кончиков пальцев человека.

Кожа человека содержит несколько типов механорецепторов, которые одновременно воспринимают давление, силу, вибрацию и текстуру. Воспроизведение такого многомерного чувства осязания в искусственных системах — нетривиальная задача, особенно если устройство должно быть одновременно миниатюрным и достаточно прочным для практического использования.

"Большинство существующих тактильных датчиков либо слишком громоздки, хрупки, сложны в изготовлении, либо неспособны четко различать нормальные и тангенциальные силы. Это стало серьезным препятствием на пути разработки по-настоящему ловких роботизированных рук", - объясняет профессор Тауфик Хасан из Кембриджского графенового центра, возглавлявший исследование.

Для решения этой проблемы был разработан мягкий и гибкий композит на основе силикона, сочетающий в себе листы графена, деформируемые микрокапли металла и частицы никеля.

Вдохновленные микроструктурой человеческой кожи, исследователи сформировали из материала крошечные пирамиды (около 200 микрон в поперечнике). Такая геометрия концентрирует напряжение на пиках, позволяя датчику улавливать сверхнизкие силы, сохраняя при этом широкий диапазон измерения.

В результате появился тактильный датчик, способный обнаружить даже песчинку. По сравнению с существующими гибкими аналогами новый датчик примерно на порядок больше по размерам и порогу чувствительности.

Еще одной важной особенностью является возможность различать тангенциальные и нормальные нагрузки. Это свойство позволяет обнаружить момент, когда объект начинает выскальзывать из захвата. Анализируя сигналы от четырех электродов, расположенных под каждой пирамидой, датчик математически реконструирует полный трехмерный вектор силы в реальном времени.

Для проверки возможностей датчики были интегрированы в роботизированные захваты. Манипуляторы могли брать хрупкие предметы, например, тонкие бумажные трубочки, не деформируя их. В отличие от обычных датчиков силы, которым требуется предварительная информация о свойствах объекта, новая система адаптируется на лету, обнаруживая проскальзывание.

На еще более миниатюрном уровне массивы микроскопических датчиков могут определять массу, форму и плотность материала крошечных металлических сфер, анализируя только величину и направление приложенной силы. Это открывает перспективы для малоинвазивной хирургии или микроробототехники, где обычные датчики просто не подходят.

Кроме того, технология может найти применение в протезировании. Современные бионические протезы все чаще используют тактильную обратную связь, чтобы дать пользователю ощущение осязания. Высокочувствительные миниатюрные 3D-датчики силы могут обеспечить более естественный контакт с объектами, улучшая контроль человека, безопасность и уверенность.

"Наш подход доказывает, что высокоточное 3D-прикосновение не требует громоздких механических конструкций или сложной оптики. Комбинируя умные материалы и структуры, вдохновленные кожей, мы достигаем характеристик, удивительно близких к человеческому осязанию", - говорит профессор Юн Голинь из Университета науки и технологий Китая, ведущий автор исследования.

Исследователи планируют еще больше уменьшить размеры сенсоров, возможно, до 50 микрон, что приблизит их к плотности механорецепторов в коже человека. Будущие версии могут также включать в себя датчики температуры и влажности, что сделает еще один шаг к созданию полностью мультимодальной искусственной кожи.

Поскольку роботы покидают заводские цеха и проникают в дома, больницы и в непредсказуемый мир, такие прорывы в области осязания особенно важны: машины должны не только видеть и действовать, но и по-настоящему чувствовать.