Skip to main content

Article Category

Story

Article available in the folowing languages:

Najważniejsze wiadomości - Inspirowane wąsami podejście do czucia dotykowego

Zainspirowani ruchliwymi wąsami szczurów wędrownych oraz ryjówek etruskich, finansowani przez UE badacze stworzyli roboty przypominające gryzonie oraz system innowacyjnych czujników dotykowych, które mogą ułatwić poszukiwanie ludzi pośród gruzów budynków, zwiększyć wydajność odkurzaczy oraz być może usprawnić chirurgię laparoskopową.

Gospodarka cyfrowa

Systemy sensoryczne, które imitują zdolności dotykowe, już od wielu lat stanowią przedmiot badań naukowych, prowadzonych ze szczególnym uwzględnieniem robotyki. Jednak powyższe prace zwykle skupiały się na tworzeniu czujników, które odzwierciedlają ludzki sposób dotykania i wyczuwania otoczenia: za pośrednictwem skóry, a zwłaszcza opuszków palców. "Główną przyczyną, dla której ludzie dotychczas pracowali nad czujnikami podobnymi do opuszków jest to, że każdy czujnik dotykowy musi w jakiś sposób "postrzegać" obiekty i powierzchnie. Jednak opuszki palców charakteryzują się szybkim zużyciem i ścieraniem", tłumaczy Tony Prescott, profesor neurologii poznawczej na Uniwersytecie w Sheffield (Wielka Brytania). Natura stworzyła jednakże znacznie trwalszy i często bardziej precyzyjny rodzaj czujnika dotykowego: wąsy. "Jeśli spojrzymy na otaczający nas świat, to zdamy sobie sprawę, że praktycznie każdy ssak posiada wąsy - chociaż ludzie utracili ich większość. Wąsy stanowią naturalny mechanizm wyczuwania otoczenia poprzez dotyk", twierdzi Prof. Prescott. Okazuje się, że sztuczne wąsy, podobnie jak ich biologiczne odpowiedniki, oferują liczne zalety w stosunku do innych metod wyczuwania dotykowego, czego dowiódł Prof. Prescott, wraz z zespołem badaczy uczestniczących w projekcie Biotact (1), pochodzących z siedmiu krajów. Dzięki wsparciu finansowemu na badania naukowe, w kwocie 5,4 milionów euro, zapewnionemu przez Komisję Europejską, naukowcy zbadali szczury i myszy, w tym maleńką ryjówkę etruską oraz inne ssaki, w celu podjęcia próby odtworzenia ich zdolności do korzystania z wąsów ('vibrassae'). Zdolność ta umożliwia gryzoniom wyczuwanie środowiska, wykrywanie przedmiotów oraz śledzenie ofiar. Dzięki powyższym pracom badacze stworzyli aktywne, włosowate czujniki dotykowe, w postaci macierzy oraz szereg szczuro-podobnych robotów, które odnajdują drogę wyłącznie dzięki wąsom. Powyższa technologia może potencjalnie znaleźć zastosowania komercyjne, obejmujące działania poszukiwawczo-ratunkowe, urządzenia konsumencie, testowanie produktów oraz medycynę. "Na początku musieliśmy zrozumieć sposób w jaki ssaki posługują się wąsami. W związku z powyższym prawie jedna trzecia prac projektowych dotyczyła neurologii behawioralnej i obejmowała filmowanie szczurów i ryjówek przy użyciu szybkich kamer, w celu zaobserwowania sposobu, w jaki zwierzęta używają wąsów, przy jednoczesnym śledzeniu wzorców aktywności mózgu", tłumaczy Prof. Prescott, koordynator projektu Biotact. Następnie zespół projektowy opracował sposób odtworzenia naturalnych zdolności czuciowych w ramach sztucznego systemu. System opracowany przez uczestników projektu Biotact bazuje na mierzeniu wibracji występujących u nasady wąsów, wywoływanych przez dotknięcie wąsem przedmiotu lub powierzchni. Miniaturowe silniki umożliwiają ruch pojedynczych wąsów, stanowiących część systemu złożonego z setek takich elementów, a także omiatanie nimi przedmiotów, podobnie jak czynią to gryzonie szybko poruszające wąsami. Sygnały rejestrowane u nasady wąsów są następnie przetwarzane w oparciu o oprogramowanie oraz wydajne algorytmy, na przykład w celu stwierdzenia, czy dana powierzchnia jest gładka, czy chropowata, czy mamy do czynienia z krawędzią lub ze ścianą, jak daleko znajduje się przedmiot, a nawet czy przedmiot się porusza. Gryzoniom, które zwykle mają słaby wzrok, aktywna kontrola nad wąsami pomaga odpowiednio je ukierunkować, a także kontrolować ich ruch, w celu zgromadzenia możliwi największej ilości informacji na temat danego przedmiotu lub na temat danej powierzchni. Dzięki temu gryzonie mogą, polegając wyłącznie na dotyku, eksplorować otoczenie, a nawet zdobywać pożywienie. Niezawodne, robotyczne gryzonie a działania poszukiwawczo-ratunkowe W kontekście urządzeń robotycznych to aktywne podejście do wyczuwania otoczenia radykalnie zwiększa dokładność i skuteczność eksploracji, pozwalając robotom delikatnie wyczuwać drogę, zamiast gwałtownie zderzać się z przedmiotami. Co więcej, chociaż podobne do palców czujniki robotyczne mogą łatwo ulec uszkodzeniu, gdyż elementy sensoryczne są bezpośrednio narażone na działanie otoczenia, w rozwiązaniu Biotact delikatne komponenty elektroniczne znajdują się u nasady wąsów i nie mają bezpośredniego kontaktu z przedmiotami lub powierzchniami. Sztuczne wąsy, podobnie jak ich naturalne odpowiedniki, spełniają swoją funkcję nawet, gdy ulegną złamaniu lub uszkodzeniu, a ich wymiana jest szybka i łatwa. Kilka pokoleń czujników oraz robotów, opracowanych przez uczestników projektu Biotact, stanowi dowód skuteczności obranego przez nich podejścia. Przykładowo, robot Shrewbot, z wyglądu przypominający ryjówkę, jest w stanie przemieszczać się korzystając wyłącznie ze zmysłu dotyku. "Shrewbot może nawet śledzić ruchome obiekty, korzystając wyłącznie ze swych wąsów. Oprócz wąsów robot ten nie posiada czujników wzrokowych, ani żadnych innych", twierdzi Prof. Prescott. "Ze względu na swą modularną budowę, sztuczne wąsy Biotact mogą być wykorzystywane przez wiele robotów i urządzeń. Zastosowaliśmy je w szerokiej gamie robotów edukacyjnych, w tym w robocie Lego Mindstorms, a także stworzyliśmy ich zminiaturyzowaną wersję, w której wykorzystano nowatorskie, polimerowe siłowniki poruszające wąsami". "Pragnęliśmy zagwarantować, że powyższe czujniki będą możliwie najbardziej uniwersalne - do tego stopnia, że możliwe będzie pójście do sklepu i kupienie ich, podobnie jak ma to miejsce w przypadku kamery internetowej, a następnie zainstalowanie ich w dowolnym robocie lub innym urządzeniu", dodaje Prof. Prescott. "Obecnie powyższa technologia jest wciąż stosunkowo droga, jednak uważamy, że potanieje w nadchodzących latach. Rozmawialiśmy ponadto z niektórymi producentami - nasze rozwiązanie spotkało się z dużym zainteresowaniem". Zakres potencjalnych zastosowań technologii Biotact jest szeroki. Robot podobny do urządzenia Shrewbot mógłby przykładowo pomagać strażakom podczas poszukiwania osób uwięzionych pod gruzami budynków, lub też pracować w środowiskach, w których dym, kurz lub ciemność znacznie ograniczają widoczność. Wersja podwodna, której realizacja jest planowana w ramach projektu stanowiącego kontynuację inicjatywy Biotact, mogłaby być stosowana do eksploracji mętnych środowisk podwodnych. "W przeciwieństwie do szczurów i ryjówek, robot ten przypominałby fokę lub morsa - zwierzęta te również korzystają z wąsów, jednak robią to pod wodą", twierdzi koordynator projektu. "Przedsiębiorstwa zaangażowane w utylizację odpadów promieniotwórczych są zainteresowane tego typu rozwiązaniami, gdyż potrzebują urządzeń, które będą w stanie dokonywać inspekcji skażonych zbiorników wodnych. Technologia ta znalazłaby również zastosowanie w przemyśle naftowym oraz w archeologii podwodnej". W przypadku medycyny czujniki w postaci wąsów, po dalszych badaniach, mogłyby dostarczać lekarzom przeprowadzającym operacje laparoskopowe precyzyjne informacje dotykowe na temat tkanek i kości. W przemyśle produkcyjnym technologia dotykowa pozwoliłaby weryfikować jakość produktów, sortować je, a także analizować powierzchnię materiałów. Natomiast w przypadku odkurzaczy powyższy system pozwoliłby automatycznie wykrywać różne rodzaje powierzchni i zmieniać ustawienia w taki sposób, by odkurzanie danej powierzchni, np. dywanu lub terakoty, było możliwie najbardziej skuteczne. W kontekście nieco innego zastosowania technologii wyczuwania i podejmowania działań, opracowanej w ramach projektu Biotact, pracownicy Uniwersytetu w Sheffield współpracują ze służbami pożarniczo-ratowniczymi południowego Yorkshire, tworząc hełm strażacki wyposażony w czujniki ultradźwiękowe, ułatwiający poruszanie się w zadymionych pomieszczeniach oraz dostarczający swemu posiadaczowi zwrotne informacje dotykowe. Projekt Biotact uzyskał wsparcie finansowe w ramach podprogramu Przyszłe i Powstające Technologie ('Future and Emerging Technologies' - FET), będącego częścią Siódmego Programu Ramowego UE (7PR). Wyniki uzyskane przez uczestników inicjatywy Biotact stanowią doskonały przykład tego, w jaki sposób długoterminowe, fundamentalne badania naukowe w danej dziedzinie prowadzą do dalszych badań i nowych zastosowań technologii, pozwalając rozwiązywać problemy w wielu innych dziedzinach. (1) Biomimetyczna technologia aktywnego dotyku wibrysowego ('Biomimetic technology for vibrissal active touch') Użyteczne odnośniki: - Strona internetowa projektu " Biomimetyczna technologia aktywnego dotyku wibrysowego" - 'Biomimetic technology for vibrissal active touch' - Informacje na temat projektu Biotact w bazie danych CORDIS