Исследователи из Национального университета Сингапура создали мягкий механический датчик силы, который позволяет роботам ощущать прикосновение и мгновенно реагировать на него без электроники, компьютеров и внешнего питания. Устройство под названием ME-SOFS превращает приложенную силу напрямую в движение жидкости, которая приводит в действие мягкие актуаторы.
ME-SOFS — это полностью мягкая 3D-печатная конструкция из податливых материалов. В центре находится столбик, окружённый пятью заполненными жидкостью камерами: четыре расположены горизонтально, одна — вертикально.
Когда на датчик нажимают, столбик наклоняется в сторону воздействия и сжимает соответствующую камеру. Жидкость выталкивается по мягким трубкам к актуаторам и сразу вызывает движение. Каждая камера работает независимо, поэтому система различает силы по горизонтали, вертикали и боковым направлениям.
Чувствительность датчика можно настраивать, меняя геометрию конструкции — диаметр отверстий, толщину стенок и угол наклона центрального элемента. Принцип работы при этом остаётся прежним.
Помимо чисто механической реакции, датчик умеет выдавать электрический сигнал. При перемещении жидкости маленькие магниты проходят мимо металлических дуг и генерируют импульсы напряжения за счёт электромагнитной индукции — примерно как в велосипедном динамо. Количество импульсов напрямую соответствует силе нажатия.
Где это пригодится
Поскольку в системе нет электроники, она хорошо подходит для работы в сложных условиях: под водой, внутри человеческого тела или в средах с сильными электромагнитными помехами. Датчик сохранял работоспособность в воде температурой до 90°C и под давлением, соответствующим глубине около 11 метров.
Исследователи продемонстрировали возможности ME-SOFS на нескольких прототипах. Мягкая перчатка с пятью миниатюрными датчиками размером с горошину измеряла силу захвата на каждом пальце и позволяла оценивать вес предметов. Это открывает перспективы для протезов и интерфейсов «человек — машина».
В другом эксперименте датчик связали с мягкой тактильной подушечкой на пальцах оператора. Давление от роботизированного захвата передавалось напрямую человеку, и тот мог на ощупь понимать, с какой силой робот держит предмет — от хрупкого яйца до деревянного бруска или бутылки с водой. Записанные паттерны силы потом использовали, чтобы научить робота повторять успешные захваты самостоятельно.
Кроме того, датчик управлял каплями жидкости в миниатюрном флюидном устройстве и направлял гибкие ворсинкоподобные структуры — всё без программного обеспечения.
Почему это важно
«Эта работа ярко показывает, как само физическое тело может производить сенсомоторное поведение без системы управления. Это можно сравнить с нервной системой в биологии», — отметила Сесилия Ласки (Cecilia Laschi) из факультета машиностроения NUS.
В будущем исследователи планируют миниатюризировать систему, увеличить силу актуации и встраивать петлю «ощущение — действие» прямо в тело мягких роботов. Это должно сделать их реакции более инстинктивными, а взаимодействие с окружающим миром — более естественным.
Исследование опубликовано в журнале Science Advances.
