Что, если бы робот отдергивал руку от горячего так же быстро, как человек — еще до «осознания» боли? Китайские исследователи сделали шаг именно в этом направлении, создав нейроморфную электронную кожу для гуманоидных роботов.
У человека защита от опасности устроена элегантно и экономно. При прикосновении к чему-то горячему или острому сигнал от рецепторов идет не сразу в мозг, а напрямую в спинной мозг, где запускается рефлекс — рука отдергивается почти мгновенно. Боль «догоняет» позже, но травмы удается избежать.
Большинство гуманоидных роботов так не умеют. Их сенсоры отправляют данные в центральный процессор, тот анализирует информацию и лишь затем формирует команду для двигателей. Даже минимальная задержка в этой цепочке может стоить дорого — особенно если робот работает рядом с людьми, в доме, больнице или общественном пространстве. Именно эту проблему и попытались решить ученые, разработав нейроморфную роботизированную e-skin.
Нейроморфная кожа
Обычные «кожи» для роботов, как правило, работают как простые датчики давления: они фиксируют факт контакта, но не понимают, опасен он или нет. Прикосновение ладони и удар острым предметом для них — почти одно и то же.
Новая нейроморфная электронная кожа (neuromorphic robotic e-skin, или NRE-skin) имитирует то, как биологическая кожа обрабатывает сенсорную информацию. В основе — иерархическая архитектура, вдохновленная нервной системой человека. Тактильные сигналы преобразуются в электрические импульсы, похожие на те, что бегут по нашим нервам.
Конструкция состоит из четырех слоев. Верхний играет роль эпидермиса, защищая систему от внешних воздействий. Под ним находятся сенсоры и электронные цепи, работающие как чувствительные нервы: они непрерывно отслеживают давление, силу воздействия и целостность структуры.
Любопытная деталь: даже в состоянии покоя кожа периодически посылает электрические импульсы в центральный процессор робота — своего рода «пульс», подтверждающий, что все в порядке. Если же поверхность повреждена или разрезана, импульсы прекращаются. Робот сразу понимает, что произошла травма, и может точно определить ее место.
Рефлекс без «размышлений»
При обычном касании e-skin генерирует электрические всплески, кодирующие силу давления, и отправляет их в центральный процессор для анализа. Но если нагрузка превышает заданный порог — условный аналог боли, — система переключается в другой режим.
Высоковольтный сигнал напрямую уходит к приводам, минуя центральный процессор. В результате робот реагирует почти мгновенно: отдергивает руку или отступает, как будто действует на уровне рефлекса.
Авторы разработки подчеркивают, что такая нейроноподобная иерархия позволяет не только чувствовать прикосновение с высоким разрешением, но и локально обнаруживать боль и повреждения, включая защитные реакции на месте. Это заметно повышает безопасность и делает взаимодействие человека и робота более интуитивным — особенно в сервисных и «эмпатических» роботах.
Практичность тоже учли. Кожа собрана из модульных магнитных сегментов, которые можно быстро отсоединить и заменить. Поврежденный участок меняется за секунды, без сложного обслуживания и разборки всей конструкции.
Сейчас команда работает над повышением чувствительности системы. Задача — научить кожу точно обрабатывать несколько одновременных точек контакта. Без этого сложно представить робота, уверенно действующего в хаотичной, непредсказуемой человеческой среде. Результаты исследования опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Нейроморфная электронная кожа — это шаг от «думающих машин» к машинам с элементами инстинктивного поведения. Когда робот не просто чувствует прикосновение, а понимает, что ему больно, и реагирует без задержек, он становится не только умнее, но и безопаснее. А значит, гораздо ближе к тому, чтобы органично вписаться в нашу повседневную жизнь.
