Des chercheurs de Columbia Engineering ont annoncé aujourd'hui avoir introduit un nouveau type de doigt robotique doté d'un sens du toucher. Leur doigt peut localiser le toucher avec une très grande précision— <1mm—sur un grand, surface multicourbe, un peu comme son homologue humain.

« Il y a longtemps eu un écart entre les capteurs tactiles autonomes et les doigts tactiles entièrement intégrés - la détection tactile est encore loin d'être omniprésente dans la manipulation robotique, " dit Matei Ciocarlie, professeur agrégé dans les départements de génie mécanique et d'informatique, qui a dirigé ce travail en collaboration avec le professeur de génie électrique Ioannis (John) Kymissis. "Dans ce document, nous avons démontré un doigt robotique multicourbe avec une localisation tactile précise et une détection de force normale sur des surfaces 3D complexes. »

Les méthodes actuelles de construction de capteurs tactiles se sont avérées difficiles à intégrer dans les doigts de robot en raison de multiples défis, y compris la difficulté à couvrir des surfaces multicourbes, nombre de fils élevé, ou difficulté à s'adapter au bout des petits doigts, empêchant ainsi l'utilisation dans les mains habiles. L'équipe d'ingénierie de Columbia a adopté une nouvelle approche :l'utilisation inédite de signaux superposés provenant d'émetteurs et de récepteurs de lumière intégrés dans une couche de guide d'ondes transparent qui recouvre les zones fonctionnelles du doigt.

En mesurant le transport de la lumière entre chaque émetteur et récepteur, ils ont montré qu'ils peuvent obtenir un ensemble de données de signal très riche qui change en réponse à la déformation du doigt due au toucher. Ils ont ensuite démontré que les méthodes d'apprentissage en profondeur purement basées sur les données peuvent extraire des informations utiles des données, y compris l'emplacement du contact et la force normale appliquée, sans avoir besoin de modèles analytiques. Leur résultat final est un système entièrement intégré, doigt de robot sensoriel, avec un faible nombre de fils, construit à l'aide de méthodes de fabrication accessibles et conçu pour une intégration facile dans des mains habiles.

L'étude, publié en ligne dans Transactions IEEE/ASME sur la mécatronique , démontre les deux aspects de la technologie sous-jacente qui se combinent pour permettre les nouveaux résultats. Premièrement, Dans ce projet, les chercheurs utilisent la lumière pour sentir le toucher. Sous la peau, " leur doigt a une couche en silicone transparent, dans laquelle ils ont fait briller la lumière de plus de 30 LED. Le doigt possède également plus de 30 photodiodes qui mesurent la façon dont la lumière rebondit. Chaque fois que le doigt touche quelque chose, sa peau se déforme, donc la lumière se déplace dans la couche transparente en dessous. Mesurer la quantité de lumière allant de chaque LED à chaque diode, les chercheurs obtiennent près de 1, 000 signaux qui contiennent chacun des informations sur le contact qui a été établi. Étant donné que la lumière peut également rebondir dans un espace incurvé, ces signaux peuvent couvrir une forme 3-D complexe telle qu'un bout de doigt.

« Le doigt humain fournit des informations de contact incroyablement riches :plus de 400 minuscules capteurs tactiles dans chaque centimètre carré de peau ! dit Ciocarlie. "C'est le modèle qui nous a poussés à essayer d'obtenir autant de données que possible de notre doigt. Il était essentiel de s'assurer que tous les contacts de tous les côtés du doigt étaient couverts. Nous avons essentiellement construit un doigt robotique tactile sans angles morts. "

Deuxièmement, l'équipe a conçu ces données pour qu'elles soient traitées par des algorithmes d'apprentissage automatique. Parce qu'il y a tellement de signaux, tous se chevauchant partiellement les uns les autres, les données sont trop complexes pour être interprétées par des humains. Heureusement, les techniques actuelles d'apprentissage automatique peuvent apprendre à extraire les informations qui intéressent les chercheurs :où le doigt est touché, ce qu'il touche le doigt, quelle force est appliquée, etc.

"Nos résultats montrent qu'un réseau de neurones profonds peut extraire ces informations avec une très grande précision, ", explique Kymissis. "Notre appareil est vraiment un doigt tactile conçu dès le début pour être utilisé en conjonction avec des algorithmes d'IA."

En outre, l'équipe a construit le doigt pour qu'il, et d'autres, peut être mis sur des mains robotiques. L'intégration du système sur une main est simple :grâce à cette nouvelle technologie, le doigt recueille presque 1, 000 signaux, mais n'a besoin que d'un câble à 14 fils le reliant à la main, et il n'a besoin d'aucune électronique externe complexe. Les chercheurs ont déjà deux mains habiles (capables de saisir et de manipuler des objets) dans leur laboratoire équipées de ces doigts - une main a trois doigts, et l'autre quatre. Dans les prochains mois, l'équipe utilisera ces mains pour essayer de démontrer des capacités de manipulation adroites, basée sur des données tactiles et proprioceptives.

« Une manipulation robotique adroite est maintenant nécessaire dans des domaines tels que la fabrication et la logistique, et est l'une des technologies qui, à plus long terme, sont nécessaires pour permettre une assistance robotique personnelle dans d'autres domaines, tels que les domaines de la santé ou des services, " ajoute Ciocarlie.

L'étude s'intitule "Un doigt robotique multicourbe sensoriel avec détection tactile pilotée par les données via des signaux lumineux se chevauchant".