«Искусственная кожа» с графеном приближает роботов к человеческому осязанию
Роботы постоянно совершенствуют зрение и движения, но осязание по‑прежнему остается их «ахиллесовой пятой». Исследователи представили миниатюрный тактильный датчик, который способен наделить машины чувством, максимально приближенным к человеческому.
Разработка Кембриджского университета описана в журнале Nature Materials. Она основана на композитах с жидким металлом и графене — двумерной форме углерода. Эта «кожа» позволяет роботам не просто определять силу нажатия на предмет, но и распознавать направление приложенного усилия, фиксировать начало проскальзывания объекта и даже оценивать шероховатость поверхности. При этом датчик настолько компактен, что его разрешение не уступает пространственной чувствительности подушечек пальцев человека.
В коже человека есть механорецепторы нескольких типов, которые одновременно воспринимают давление, усилие, вибрацию и текстуру. Воспроизвести такое многомерное осязание в искусственных системах — нетривиальная задача, особенно если устройство должно быть одновременно миниатюрным и достаточно надежным для практического применения.
«Большинство существующих тактильных датчиков либо слишком громоздкие, либо хрупкие, либо сложны в производстве, либо неспособны четко различать нормальные и тангенциальные силы. Это было главным препятствием на пути к созданию по-настоящему ловких роботизированных манипуляторов», — объясняет профессор Тауфик Хасан из Кембриджского центра графена, руководитель исследования.
Чтобы решить эту проблему, был разработан мягкий и гибкий композит на силиконовой основе, сочетающий листы графена, деформируемые микрокапли металла и частицы никеля.
Вдохновившись микроструктурами человеческой кожи, исследователи придали материалу форму крошечных пирамидок (некоторые — всего 200 мкм в поперечнике). Благодаря такой геометрии напряжение концентрируется на вершинах, что позволяет датчику улавливать сверхмалые усилия, сохраняя при этом широкий измерительный диапазон.
Результатом стал тактильный сенсор, способный заметить даже песчинку. По сравнению с существующими гибкими аналогами, новый датчик выигрывает по размерам и порогу чувствительности примерно на порядок.
Другая важная особенность — умение различать касательные и нормальные нагрузки. Это свойство позволяет детектировать момент, когда предмет начинает выскальзывать из захвата. Анализируя сигналы с четырех электродов, расположенных под каждой пирамидкой, датчик в реальном времени математически восстанавливает полный трехмерный вектор силы.
Для проверки возможностей датчики интегрировали в роботизированные захваты. Манипуляторы смогли взять хрупкие предметы, например тонкие бумажные трубочки, не деформируя их. В отличие от обычных датчиков силы, которым нужна предварительная информация о свойствах объекта, новая система адаптируется на лету за счет регистрации проскальзывания.
На еще более миниатюрном уровне микроскопические матрицы датчиков способны определять массу, форму и плотность материала крошечных металлических сфер, анализируя лишь величину и направление приложенной силы. Это открывает перспективы для малоинвазивной хирургии или микроробототехники, где обычные датчики просто не помещаются.
Кроме того, технология может найти применение в протезировании. Современные бионические протезы все чаще используют тактильную обратную связь, чтобы дать пользователю ощущение прикосновения. Высокочувствительные миниатюрные трехмерные датчики силы способны обеспечить более естественный контакт с предметами, улучшая контроль, безопасность и уверенность человека.
«Наш подход доказывает, что для высокоточного трехмерного осязания не нужны громоздкие механические конструкции или сложная оптика. Комбинируя "умные" материалы и структуры, вдохновленные кожей, мы добиваемся характеристик, удивительно близких к человеческому осязанию», — говорит профессор Юнь Гуолинь из Университета науки и технологий Китая, ведущий автор исследования.
Исследователи рассчитывают уменьшить датчики еще сильнее — возможно, до 50 мкм, что приблизится к плотности расположения механорецепторов в коже человека. Будущие версии могут также включать измерение температуры и влажности, сделав еще один шаг к созданию полноценной мультимодальной искусственной кожи.
По мере того как роботы покидают стены заводских цехов и приходят в дома, больницы и непредсказуемую реальность, подобные прорывы в области осязания особенно важны: машины должны не только видеть и действовать, но и по-настоящему чувствовать.