Исследователи из Кембриджского университета сделали значительный шаг вперед в области биомиметической робототехники, разработав датчик, который способен считывать текст, написанный шрифтом Брайля, в два раза быстрее человека. Это позволит создавать роботов со столь же чувствительными пальцами, как у человека.
Чувствительные пальцы
Человеческие пальцы невероятно чувствительны. Они могут ощущать детали объекта размером всего в половину ширины человеческого волоса, различать тонкие различия в текстурах поверхности и применять необходимую силу, чтобы удержать яйцо или тяжелый предмет, не уронив его.
По мере того, как современные электронные "кожи" начинают включать в себя все больше биомиметических функций, необходимость в реалистичном взаимодействии с объектами, таком как скольжение, становится все более важной. Однако воспроизведение чувствительности человеческого пальца в робототехнике оказалось сложной задачей, несмотря на достижения в области мягкой робототехники.
Исследователям из Кембриджа удалось приблизиться к этой цели, используя подход, который сочетает датчики тактильного восприятия с компьютерным зрением и искусственным интеллектом для обнаружения объектов с высоким разрешением и скоростью.
"Мягкость человеческих пальцев - одна из причин, почему мы можем удерживать предметы с нужным давлением. Для робототехники мягкость важна, но также нужны обширные сенсорные данные, и совместить эти два требования сложно, особенно когда речь идет о гибких или деформируемых поверхностях”, - говорит Партх Потдар, ведущий автор исследования.
Исследователи поставили перед собой амбициозную задачу: создать роботизированный "кончик пальца", который может читать шрифт Брайля, скользя по нему, как человеческий палец. Это идеальный тест, поскольку датчик должен быть очень чувствительным, ведь точки в каждой букве расположены очень близко друг к другу.
“Существуют роботизированные устройства для чтения шрифта Брайля, но они читают только по одной букве за раз, что не похоже на то, как читают люди. Существующие устройства работают статично: они касаются одной буквы, считывают ее, отрываются от поверхности, перемещаются, опускаются на следующую букву и так далее. Нам нужно что-то более реалистичное и гораздо более эффективное”, - говорит соавтор исследования Дэвид Хардман.
Роботизированный датчик
Исследователи создали роботизированный датчик с камерой в "кончике пальца". Учитывая, что скольжение датчика приводит к размытию изображения, разработчики использовали модель машинного обучения, натренированную на наборе реальных статических изображений, которые были синтетически размыты. После устранения размытия модель компьютерного зрения обнаруживала и классифицировала каждую букву.
"Это сложная задача для робототехников, поскольку требует большого объема обработки изображений для устранения размытия в движении, что энергозатратно и требует времени", - говорит Потдар.
Внедрение модели машинного обучения позволило роботизированному датчику читать шрифт Брайля со скоростью 315 слов в минуту с точностью 87,5%, что в два раза быстрее и примерно так же точно, как человек. Исследователи говорят, что это значительно быстрее, чем предыдущие исследования, и этот подход можно масштабировать с помощью большего количества данных и более сложных архитектур моделей для достижения лучшей производительности на еще более высоких скоростях.
"Учитывая, что мы использовали искусственное размытие для обучения алгоритма, его точность чтения шрифта Брайля стала приятным сюрпризом. Мы нашли хороший компромисс между скоростью и точностью, что также характерно для людей", - говорит Хардман.
Хотя датчик не был разработан как вспомогательная технология, исследователи говорят, что его способность быстро и точно читать шрифт Брайля является хорошим знаком для разработки роботов-рук или протезов с чувствительностью, сравнимой с человеческими пальцами. Теперь ученые надеются увеличить масштаб технологии до размеров ладони или кожи гуманоидного робота.
Исследование опубликовано в журнале IEEE Robotics and Automation Letters.
