Die meisten Roboter erreichen das Greifen und taktile Erfassen durch motorisierte Mittel, die übermäßig sperrig und starr sein können. Eine Gruppe der Cornell University hat einen Weg gefunden, wie ein weicher Roboter seine Umgebung innerlich wahrnehmen kann, ähnlich wie Menschen es tun.
Eine Gruppe unter der Leitung von Robert Shepherd, Assistenzprofessor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik und Hauptforscher von Labor für organische Robotik, hat ein Papier veröffentlicht, in dem beschrieben wird, wie dehnbare optische Wellenleiter als Krümmungs-, Dehnungs- und Kraftsensoren in einer weichen Roboterhand wirken.
Doktorand Huichan Zhao ist Erstautor von „Optoelektronisch innervierte weiche Prothesenhand über dehnbare Lichtwellenleiter“, die in der ersten Ausgabe von Science Robotics vorgestellt wird. Das Papier wurde am 6. Dezember veröffentlicht; Auch die Doktoranden Kevin O'Brien und Shuo Li, beide vom Shepherd's Lab, trugen dazu bei.
„Die meisten Roboter haben heute Sensoren an der Außenseite des Körpers, die Dinge von der Oberfläche erkennen“, sagte Zhao. „Unsere Sensoren sind in den Körper integriert, sodass sie tatsächlich Kräfte erkennen können, die durch die Dicke des Roboters übertragen werden, ähnlich wie wir und alle Organismen es tun, wenn wir zum Beispiel Schmerzen empfinden.“
Optische Wellenleiter werden seit den frühen 1970er Jahren für zahlreiche Sensorfunktionen verwendet, darunter taktile, Positions- und akustische. Die Herstellung war ursprünglich ein komplizierter Prozess, aber das Aufkommen von weicher Lithographie und 20-D-Druck in den letzten 3 Jahren hat zur Entwicklung von Elastomersensoren geführt, die einfach hergestellt und in eine weiche Roboteranwendung integriert werden können.
Shepherds Gruppe verwendete einen vierstufigen Soft-Lithographie-Prozess, um den Kern (durch den sich Licht ausbreitet) und die Ummantelung (Außenfläche des Wellenleiters) herzustellen, die auch die LED (lichtemittierende Diode) und die Fotodiode beherbergt.
Je mehr sich die Handprothese verformt, desto mehr Licht geht durch den Kern verloren. Dieser variable Lichtverlust, der von der Fotodiode erfasst wird, ermöglicht es der Prothese, ihre Umgebung zu „erfassen“.
„Wenn beim Biegen der Prothese kein Licht verloren ginge, würden wir keine Informationen über den Zustand des Sensors erhalten“, sagte Shepherd. "Die Höhe des Verlusts hängt davon ab, wie es gebogen ist."
Die Gruppe verwendete ihre optoelektronische Prothese, um eine Vielzahl von Aufgaben auszuführen, darunter das Greifen und Sondieren von Form und Textur. Vor allem war die Hand in der Lage, drei Tomaten zu scannen und anhand der Weichheit zu bestimmen, welche die reifste war.
Zhao sagte, dass diese Technologie viele potenzielle Anwendungen jenseits von Prothesen hat, einschließlich bioinspirierter Roboter, die Shepherd zusammen mit erforscht hat Maurer Peck, außerordentlicher Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, für den Einsatz in der Weltraumforschung.
„Dieses Projekt hat kein sensorisches Feedback“, sagte Shepherd und verwies auf die Zusammenarbeit mit Peck, „aber wenn wir Sensoren hätten, könnten wir die Formänderung während der Verbrennung [durch Wasserelektrolyse] in Echtzeit überwachen und bessere Betätigungssequenzen entwickeln, um sie herzustellen es bewegt sich schneller.“
Zukünftige Arbeiten an optischen Wellenleitern in der Softrobotik werden sich auf verbesserte sensorische Fähigkeiten konzentrieren, teilweise durch 3-D-Druck komplexerer Sensorformen und durch die Einbeziehung von maschinellem Lernen als Möglichkeit, Signale von einer größeren Anzahl von Sensoren zu entkoppeln. „Im Moment“, sagte Shepherd, „ist es schwer zu lokalisieren, woher eine Berührung kommt.“
Diese Arbeit wurde durch ein Stipendium des Air Force Office of Scientific Research unterstützt und nutzte die Cornell NanoScale Wissenschafts- und Technologieeinrichtung und dem Cornell Center für Materialforschung, die beide von der National Science Foundation unterstützt werden.
- Tom Fleischmann, Cornell Universität