Forskere udvikler e-skin for at give robotter og proteser en følesans

Unikt sensorsystem reagerer 1, 000 gange hurtigere end den menneskelige følesans, den hurtigste nogensinde opnået for en e-skin

Robotter og proteser kan snart få en følesans svarende til, eller bedre end, den menneskelige hud med Asynchronous Coded Electronic Skin (ACES), et kunstigt nervesystem udviklet af et team af forskere ved National University of Singapore (NUS).

Det nye elektroniske hudsystem opnåede ultrahøj reaktionsevne og robusthed over for skader, og kan parres med enhver form for sensorhudlag for at fungere effektivt som et elektronisk skin.

Innovationen, opnået af adjunkt Benjamin Tee og hans team fra Institut for Materialevidenskab og Teknik ved NUS Det Tekniske Fakultet, blev første gang rapporteret i prestigefyldt videnskabeligt tidsskrift Videnskab robotik den 18. juli 2019.

Hurtigere end det menneskelige sensoriske nervesystem

"Mennesker bruger vores følesans til at udføre næsten hver eneste daglige opgave, såsom at tage en kop kaffe eller lave et håndtryk. Uden det, vi vil endda miste balancen, når vi går. Tilsvarende Robotter skal have en følelse af berøring for at kunne interagere bedre med mennesker, men robotter i dag kan stadig ikke føle genstande særlig godt, " forklarede Asst Prof Tee, som har arbejdet på elektroniske hudteknologier i over et årti i håbet om at give robotter og proteser en bedre følesans.

Henter inspiration fra det menneskelige sensoriske nervesystem, NUS-teamet brugte halvandet år på at udvikle et sensorsystem, der potentielt kunne yde bedre. Mens det elektroniske nervesystem ACES registrerer signaler som det menneskelige sensornervesystem, den består af et netværk af sensorer forbundet via en enkelt elektrisk leder, i modsætning til nervebundterne i den menneskelige hud. Det er også i modsætning til eksisterende elektroniske skins, som har indbyrdes forbundne ledningssystemer, der kan gøre dem følsomme over for skader og vanskelige at skalere op.

Uddyber inspirationen, Adjunkt Tee, som også har ansættelser i NUS Institut for Elektro- og Computerteknik, NUS Institute for Health Innovation &Technology (iHealthTech), N.1 Institute for Health and the Hybrid Integrated Flexible Electronic Systems (HiFES) program, sagde, "Det menneskelige sensoriske nervesystem er ekstremt effektivt, og det virker hele tiden i den grad, at vi ofte tager det for givet. Den er også meget robust over for skader. Vores følesans, for eksempel, bliver ikke påvirket, når vi får et snit. Hvis vi kan efterligne, hvordan vores biologiske system fungerer og gøre det endnu bedre, vi kan skabe enorme fremskridt inden for robotteknologi, hvor elektroniske skins overvejende anvendes."

ACES kan registrere berøringer mere end 1, 000 gange hurtigere end menneskets sensoriske nervesystem. For eksempel, den er i stand til at differentiere fysiske kontakter mellem forskellige sensorer på mindre end 60 nanosekunder – den hurtigste nogensinde opnået for en elektronisk hudteknologi – selv med et stort antal sensorer. ACES-aktiveret hud kan også nøjagtigt identificere formen, tekstur og hårdhed af objekter inden for 10 millisekunder, ti gange hurtigere end at blinke med et øje. Dette aktiveres af ACES-systemets høje kvalitet og optagelseshastighed.

ACES-platformen kan også designes til at opnå høj robusthed over for fysiske skader, en vigtig egenskab for elektroniske skins, fordi de kommer i hyppig fysisk kontakt med miljøet. I modsætning til det nuværende system, der bruges til at forbinde sensorer i eksisterende elektroniske skins, alle sensorerne i ACES kan tilsluttes en fælles elektrisk leder, hvor hver sensor fungerer uafhængigt. Dette gør det muligt for ACES-aktiverede elektroniske skins at fortsætte med at fungere, så længe der er én forbindelse mellem sensoren og lederen, gør dem mindre sårbare over for skader.

Smart elektronisk skind til robotter og proteser

ACES' enkle ledningssystem og bemærkelsesværdige reaktionsevne, selv med et stigende antal sensorer, er nøgleegenskaber, der vil lette opskaleringen af ​​intelligente elektroniske skins til kunstig intelligens (AI) applikationer i robotter, proteseanordninger og andre menneskelige maskiner-grænseflader.

"Skalerbarhed er en kritisk overvejelse, da store stykker højtydende elektroniske skind er nødvendige for at dække de relativt store overfladearealer af robotter og proteseanordninger, " forklarede adjunkt Tee. "ACES kan nemt parres med enhver form for sensorhudlag, for eksempel, dem designet til at registrere temperaturer og fugtighed, at skabe højtydende ACES-aktiveret elektronisk hud med en enestående følesans, der kan bruges til en lang række formål, " han tilføjede.

For eksempel, parrer ACES med den gennemsigtige, selvhelbredende og vandafvisende sensorhudlag også for nylig udviklet af Asst Prof Tees team, skaber en elektronisk hud, der kan selvreparere, ligesom den menneskelige hud. Denne type elektronisk hud kan bruges til at udvikle mere realistiske proteser, der vil hjælpe handicappede personer med at genoprette deres følesans.

Andre potentielle applikationer omfatter udvikling af mere intelligente robotter, der kan udføre katastrofegendannelsesopgaver eller overtage hverdagslige operationer såsom pakning af varer i varehuse. NUS-teamet søger derfor yderligere at anvende ACES-platformen på avancerede robotter og proteseanordninger i den næste fase af deres forskning.