05.10.2022
Наш канал в Telegram: https://t.me/berzaru

Создан «умный палец», который с помощью машинного обучения определяет материалы на ощупь

Artificial tactile perception smart finger

Группа китайских и американских инженеров создали искусственный палец с использованием метода трибоэлектрического зондирования, способный идентифицировать различные материалы по прикосновениям. Своё изобретение учёные назвали «умный палец». Умный палец способен при помощи машинного обучения определять материал на ощупь с точностью до 96,8%. Исследование опубликовано в журнале Science Advances.

Тактильное восприятие является одной из самых важных функций человеческого мозга. Контактируя с внешней средой, тело человека передаёт реакцию подкожных тактильных телец на различные раздражители в окружающей среде. Мозг анализирует поступающие сигналы и распознаёт параметры текстуры предмета, к которому прикасается, например, шероховатость. Таким образом, определяя, к какому именно материалу человек прикасается.

Исследователями было предпринято много усилий для разработки датчиков или устройств, способных идентифицировать материалы с использованием теплопроводности, ультразвука, компьютерного зрения и т.д. На сегодняшний день несколько методов искусственного тактильного восприятия могут достаточно точно измерять физические раздражители.

Человек может с лёгкостью определить мягкий предмет или твёрдый, гладкий или шероховатый. Просто надавив на предмет, мы можем определить ткань это или металл. Инженеры многие годы работают над тем, чтобы подобное осязание было и у роботов. Однако количественная оценка психологических параметров тактильного восприятия для идентификации текстуры и шероховатости остаётся сложной задачей.

Группа инженеров из Пекинского института наноэнергетики и наносистем создала «умный палец» с превосходным человеческим тактильным восприятием, который позволяет точно определить тип и шероховатость материала за счёт интеграции трибоэлектрического зондирования и машинного обучения.

Инженеры предположили, что поскольку каждый материал обладает различной способностью принимать или терять электроны, то при контакте трибоэлектрического датчика с измеряемым объектом будет генерироваться уникальный выход трибоэлектрического отпечатка пальца. Конструкция массива трибоэлектрических датчиков позволила дополнительно устранить помехи от окружающей среды, а точность идентификации материала достигла 96,8%. Разработанный «умный палец» даст возможность придать искусственное тактильное восприятие манипуляторам или протезам.

В основе «умного пальца» лежат трибоэлектрические генераторы, принцип работы которых основан на том, что при сближении двух его частей (одной из них может выступать другой предмет, даже прикасающийся человеческий палец) на одной из них концентрируются положительные заряды, а на другой — отрицательные. Если к такому генератору подключить контакт, при движении двух частей электроны в нём начинают перемещаться в ту или иную сторону и тем самым создавать ток.

Способность отдавать и принимать электроны различается от материала к материалу, поэтому инженеры решили использовать это для определения материала по различиям в показаниях трибоэлектрического генератора. Чтобы получать более точные данные, они использовали не один генератор, а четыре, в каждом из которых контактный слой состоит из разного материала: полиамида, полиэтилен терефталата (ПЭТ), полистирола и политетрафторэтилена. Сенсоры имеют квадратную форму и размер один сантиметр. Под контактным материалом находится слой алюминия, используемый как электрод.

Разработчики собрали на основе этих датчиков стенд с сенсорами. Сигналы от них принимаются микроконтроллером и пересылаются на компьютер для анализа. После анализа результат присылается обратно и выводится на небольшой OLED-экран. В этой работе были определены тактильные психологические параметры с помощью трибоэлектрического эффекта, что открывает путь к новой эре в моделировании тактильного восприятия человека.