Nyitókép: Wikimedia Commons
Infokommunikációs technológiák kidolgozásánál gyakran a természet a kiindulási pont, számtalan hardvert és szoftvert mintáztak már szerves lényekről, mindenféle állatról, és persze a Homo sapiensről is. Az élővilág kimeríthetetlen inspirációforrás, de még a sok biomimikri alkalmazás közül is kiemelkedik egy szakterület, a robotika.
Az MIT (Massachusetts Institute of Technology) gépészmérnökeit ezúttal az emberi ujjak ihlették meg egy különleges robotkar fejlesztésekor. Kialakításához több csúcstechnológiát használtak fel – robotika mellett szenzoros megoldásokat, mesterséges intelligenciát (gépi tanulást), anyagtudományt és 3D nyomtatást. A kar egyediségét az adja, hogy fejlett szenzorai jóvoltából elég egyetlen egyszer megfognia egy objektumot, és máris képes azonosítani azt.
Merev belső váz, puha bőr
Robotkarokat régóta fejlesztenek, általában programozható mechanikus szerkezetek, amelyek vagy önmagukban, vagy komplex robotok részeként funkcionálnak. Sok fajtájuk létezik, leggyakoribb alkalmazási területük a gyártóipar, gyakran dolgoznak futószalag mellett, autókat szerelnek össze, hegesztenek, de a mezőgazdaságtól a medicináig, sok szektorban hasznosulnak.
Robotkezek többféleképpen alakíthatók ki, a szenzorok elrendezése a kulcstényező. Soknál az összes hatékony érzékelőt az ujjbegy körüli részre helyezik, hogy amikor fizikai érintkezésbe lépnek valamilyen tárggyal, egyből tudják azonosítani. Az azonosításhoz azonban többször meg kell fogniuk, markolniuk az objektumot. Mások kisebb felbontású érzékelőket raknak végig a teljes ujj köré, ezek viszont kevesebb részletet rögzítenek, és így többször meg kell fogniuk az adott tárgyat, hogy bármit is tudjanak kezdeni vele.
Működésben a robotkéz (Kép: MIT)
A mai robotkarok jóval fejlettebbek, mint az akárcsak tíz évvel ezelőttiek, de objektumok megfogása változatlanul okozhat komoly problémákat. Minél többször markolnak meg egy objektumot, annál nagyobb az esély, hogy eltörik – már amennyiben nem az ugyan lassan, de már terjedő puha robotok (soft robotics) az alanyok.
Az MIT-s fejlesztők más módszert választottak. Merev vázat puha külső réteggel vettek körül, és több nagyfelbontású érzékelőt helyeztek az átlátszó „bőr” alá. A kamerával és LED-del felszerelt szenzorcsoportok (úgynevezett GelSight érzékelők, amelyek egy kamerából és három színes LED-ből állnak) vizuális információkat gyűjtenek a tárgy alakjáról, miközben a teljes ujj folyamatosan érzékel. Az összes, azaz mindhárom ujj állandóan és szimultán szedi össze az objektum több részére vonatkozó hasznos adatokat.
Működésben a szenzortechnológia
A belső váz – endoskeleten (ami nem azonos a hasonlóan hangzó, robotikus, de külső váz exoskeletonnal) – 3D nyomtatással készült. Utána öntőformába helyezték, és átlátható szilikonnal bugyolálták be, ez a bőr. Mivel öntőformában készítették, se kötőanyag, se ragasztó nem kellett a szilikon rögzítéséhez.
Az öntőformát szándékosan tervezték íveltre, hogy az ujjak ebben is hasonlítsanak az emberhez, plusz így hajlékonyabbra sikerült kialakítaniuk. Mindegyik ujj endoskeletonjába, a felső és a középső részre, a bőr alá aprólékosan kidolgozott érzékelőpárokat ágyaztak. Úgy helyezték el őket, hogy a kamerák hatótávolsága egy kicsit lefedje egymást, mert ezzel az ujj teljes hosszában folyamatos az érzékelés. Amikor az ujj megfog valamit, a kamera képet készít róla, a LED-ek pedig a bőr belsejéből biztosítják hozzá a szükséges világítást.
Robotbőr (Kép: MIT)
A puha bőrön megjelenő körvonalak alapján, algoritmus „visszafejti” a tárgyat, elkészíti felületi térképét. A nyers képadatok feldolgozásához, a tárgyazonosításhoz a feladatra alaposan begyakoroltatott gépitanulás-modellt használnak.
A kéz kb. nyolcvanöt százalékos pontossággal azonosít. A merev belső váz, puha bőr kettős kiépítés egyrészt elég erőssé teszi az ujjakat kemény tárgyak, például egy fúró megmarkolásához, másrészt elég puhák is maradnak hajlékony és hajlítható dolgok, mondjuk, üres műanyagpalackok károkozás nélküli megfogásához.
Egy ilyen kialakítású robotkar különösen otthoni alkalmazásoknál, például idős személyek segítése során lehet hasznos. Ezeknél a tevékenységeknél törvényszerű a gyakori interakció, és a gépnek nagyon vigyáznia kell, hogy ha kell, csakis a szükséges erővel fogja meg az illetőt, a polcról viszont nagyobb erőkifejtést igénylő, kemény tárgyakat tudjon leemelni.
Ugyanaz a kéz segíti ki az idős személyt a fürdőszobába.
Hogyan működnek az ujjak?
„Bármilyen kéz esetében nagyon fontos, hogy legyenek puha és merev részei is. Szintén fontos, hogy nagy területen jól érzékeljen, pláne ha olyan bonyolult feladatokat akarunk elvégeztetni vele, amilyeneket az emberi kéz végez. Munkánkkal a kezünk különlegességét adó összes tulajdonságot robotujjba akartuk integrálni, hogy más mai robotujjak képességét meghaladó feladatokat is képes legyen megoldani” – magyarázza Sandra Liu gépészmérnök, az egyik fejlesztő.
Rubik-kockával is elboldogul (Kép: MIT)
Az ujjak finomhangolásánál néhány problémát kellett megoldaniuk. Például, mivel egy idő után a szilikon leválik felületekről, a csuklópántok mentén, az endoskeleten ízületei közé a folyamatot korlátozó apró görbületeket tettek. Ha az ujj meghajlik, a szilikon meghajlása a görbületek között oszlik el, megakadályozva a leválást. A kutatók örömmel konstatálták, hogy a szilikonba véletlenszerűen keveredett ráncok miatt nem repedezik a bőr, és az ujjat a tervezettnél is tartósabbá teszik.
A terv tökéletesítése után robotkezet építettek, Y mintában elrendezett ujjakkal. A kéz a tárgy megfogásakor hat képet, ujjanként kettőt-kettőt vesz fel, elküldi a fotókat a gépitanulás-algoritmusnak, amely inputként használja azokat a tárgyazonosításhoz. Érintésérzékelőinek köszönhetően, egy-egy ujj egyetlen „fogással” nagyon sok tapintás-információt gyűjt össze. A kutatóknak azonban ennyi nem elég, és a masszívabb érintésre alkalmas – több információt gyűjtő – tenyérben gondolkoznak.
A jövőben, a szilikon kopását és elhasználódását megakadályozandó, a hardvert is továbbfejlesztenék, valamint a „hüvelykujjat” több funkcióval látnák el, hogy a robot változatosabb feladatokat végezhessen el.
