Китайские и американские инженеры разработали искусственный палец с осязанием — он распознает материал, к которому прикасается, и определяет его шероховатость. Это стало возможным благодаря трибоэлектрическим датчикам и алгоритму, который умеет определять по их показаниям параметры прикосновения и материал.

Статья о разработке опубликована в Science Advances.

Осязание — одно из наших главных чувств, оно помогает нам в мелкой моторике: благодаря ему мы можем понимать форму предметов, которые держим в руках, а также их свойства. Например, мы без проблем можем отличить мягкий предмет от жесткого, просто сжав его, или ткань от металла, прикоснувшись к ним или проведя пальцами. Поскольку осязание дает людям такие способности, инженеры давно пытаются воспроизвести его в роботах, но пока это удается не в полной мере.

Большая часть разработок сосредоточена вокруг определения формы предметов и их жесткости. Отчасти это связано с тем, что у этих способностей есть понятные коммерческие применения, к примеру, сортировка товаров на складах. Но в будущем роботам могут пригодиться и другие аспекты осязания, в том числе и распознавание свойств поверхностей.

Группа инженеров во главе с Ваном Чжун Линем (Zhong Lin Wang) из Пекинского института наноэнергетики и наносистем создала искусственный палец, способный понимать на ощупь, к какому материалу он прикасается. В его основе лежат трибоэлектрические генераторы.

Принцип работы такого генератора 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 нем начинают перемещаться в ту или иную сторону и тем самым создавать ток.

Принцип работы трибоэлектрического генератора / Xuecheng Qu et al. / Science Advances, 2022

Поскольку способность отдавать и принимать электроны различается от материала к материалу, 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.

Различие данных между четырьмя датчиками / Xuecheng Qu et al. / Science Advances, 2022

Разработчики собрали на основе этих датчиков искусственный палец (так его называют разработчики, но по сути это просто устройство без каких-либо сгибаемых частей). Сигналы от них принимаются микроконтроллером и пересылаются по BLE на компьютер для анализа. А после анализа результат присылается обратно и выводится на небольшой OLED-экран.

Для определения материала инженеры выбрали не требовательный к вычислительным ресурсам (а следовательно быстро работающий) алгоритм на основе метода линейного дискриминантного анализа. Собрав датасет из прикосновений к разным материалам, авторы обучили алгоритм и получили точность классификации по 12 материалам 96,8 процента. Аналогичным образом они научили палец определять шероховатость поверхностей с точностью 96,5 процента.

12 материалов и точность их распознавания / Xuecheng Qu et al. / Science Advances, 2022

Инженеры предлагают в будущем оснащать подобные устройства более мощными чипами, чтобы избавиться от необходимости обрабатывать данные на компьютере, а также датчиками давления, температуры и влажности, чтобы улучшить распознавание материалов.