Искусственная кожа придаст роботизированной руке чувствительность

Искусственная кожа придаст роботизированной руке чувствительность

Команда исследователей из Университета Хьюстона сообщила о прорыве в области мягкой электроники, который может служить искусственной кожей, позволяя роботизированной руке ощущать разницу между горячим и холодным, а также предлагая преимущества для широкого спектра биомедицинских устройств.

В работе, опубликованной в журнале Science Advances, описывается новый механизм создания растягивающей электроники, процесс, который опирается на легкодоступные материалы и может быть расширен для коммерческого производства.

Куньцзян Юй, Билл Д. Кук, помощник профессора машиностроения и ведущий автор статьи, сказал, что эта работа является первой, которая создала полупроводник в резиновом композитном формате, который позволил бы электронным компонентам сохранять функциональность даже после растяжения материала на 50 процентов.

Обратите внимание

Это первый полупроводник в резиновом композитном формате, который способен растягиваться без какой-либо специальной механической структуры, сказал Ю.

Он отметил, что традиционные полупроводники являются хрупкими, и использование их в материалах с растяжимыми материалами требует сложной системы механических помещений. Он сказал, что это более сложное и менее стабильное, чем новое открытие, а также более дорогое.

«Наша стратегия имеет преимущества для простого изготовления, масштабируемого производства, интеграции с высокой плотностью, большой устойчивости к деформации и низкой стоимости», — сказал он.

Ю и остальная часть команды создали электронную оболочку и использовали ее, чтобы продемонстрировать, что роботизированная рука может ощутить температуру горячей и холодной воды в чашке. Кожа также была способна интерпретировать сигналы компьютера, посылаемые в руки, и воспроизводить сигналы как американский язык жестов.

«Роботизированная кожа может перевести этот жест на понятный нам язык», — сказал Ю.

Искусственная кожа — это всего лишь одно приложение. Исследователи заявили, что открытие материала, который является мягким, гибким, растяжимым, повлияет на будущее развитие в мягкой электронике, включая мониторинг здоровья, медицинские имплантаты и человеко-машинные интерфейсы.

Растяжимый композитный полупроводник был приготовлен с использованием полимера на основе кремния, известного как полидиметилсилоксана или PDMS, и крошечных нанопроводов для создания раствора, который закаливается в материал, который использует нанопроволку для переноса электрического тока.

«Мы предвидим, что эта стратегия включения эластомерных полупроводников перколяционными полупроводниковыми нанофибриллами в резину будет способствовать развитию растяжимых полупроводников и будет продвигать вперед мягкую электронику для широкого спектра применений, таких как искусственные оболочки, биомедицинские имплантаты и хирургические перчатки », – писали они.

робототехника

Источник: https://neuronus.com/news-tech/1326-iskusstvennaya-kozha-pridast-robotizirovannoj-ruke-chuvstvitelnost.html

Искусственную кожу снабдили чувствительными волосками

Изображение провода на основе кобальта в сканирующем микроскопе Jian Zhang et al, Applied Materials & Interfaces, 2016

Ученые из Китая создали прототип искусственной «кожи с волосами» — высокочувствительного сенсора, позволяющего ощущать широкий диапазон воздействий и обладающего повышенной механической стойкостью. Результаты исследования опубликованы в журнале Applied Materials & Interfaces.

Сенсорные характеристики человеческой кожи на языке приборов можно сформулировать следующим образом: высокая чувствительность, широкий диапазон обнаружения силы, долговечность, стойкость к истиранию и способность определять жесткость воздействующего материала. За большинство этих характеристик ответственны волоски на коже.

Сенсоров, объединяющих все «необходимые» характеристики до сих пор не создали, а конкурирующие прототипы либо недостаточно чувствительны, либо обладают узким диапазоном «восприятия», либо представляют собой сложные и дорогие нанокомпонентые устройства. К тому же, существующие прототипы представляют собой либо искусственную кожу, либо волоскоподобные датчики.

Важно

Китайские исследователи предложили объединить «кожу» и «волосы» в простую конструкцию. Два массива ферромагнитных микропроводов скрещивали, монтировали в силиконовую «кожу». Сенсорный эффект таких «волосков» основан на эффекте Баркгаузена и электромагнитной индукции. Массивы микропроводов представляют собой катушки индуктивности.

В левую подается переменный ток, который благодаря взаимной индукции наводит переменное магнитное поле во второй ловушке.

Эффект Баркгаузена проявляется в генерации напряжения второй «катушкой» при механическом воздействии на нее, а значение и вид зависимости генерируемого напряжения от приложенных усилий позволяет судить о том, что это было за воздействие.

Покрытых стеклом микропровода на основе кобальта, используемые в работе, обладают не только магнитными сенсорными свойствами, но и хорошими механическими. По словам ученых, эти свойства напоминают человеческий волос — они тонкие, способны «различать» механические воздействия, а также достаточно «упругие» — не завязываются в узлы и не обламываются при давлении.

(а) Концепция “волос на коже”, основанная на аналогии свойств кобальтовых проводов и волос на коже человека, (b) конструкция сенсора – два кластера “волос” объединяются и “вставляются” в силиконовую “кожу”, вся конструкция устанавливается на электронную печатную плату Jian Zhang et al, Applied Materials & Interfaces, 2016Тестирование возможностей прототипа показало, что датчик обладает высокой чувствительностью и широким диапазоном обнаружения силы воздействия. Сенсор может почувствовать от одной десятитысячной ньютона до 25 ньютон, то есть такая искусственная кожа различит севшую на поверхность муху и груз в два килограмма. Робоподобная рука по результатам тестов смогла с помощью прототипа «ощутить» скольжение предмета и трение.

Способ производства предложенного сенсора и его простая структура позволяет создать масштабируемое производство, а его дизайн обеспечивает конкурентную чувствительность и диапазон восприятия в сравнении с существующими аналогами. Высокая механическая устойчивость делает такой сенсор применимым в усовершенствовании рук роботов и искусственных протезов.

Также сенсоры можно применять в медицинском оборудовании. Например, недавно исследователи предложили оснастить ультрачувствительным оптическим элементом хирургические инструменты, чтобы операции могли делать даже роботы-хирурги.

Екатерина Жданова

Источник: https://nplus1.ru/news/2016/12/19/skinhairsensor

Электронная кожа впервые ощутила прикосновения бабочки

Уже немало копий сломано вокруг проблемы создания робототехнического аналога самого крупного органа человека. Главный вопрос – как воспроизвести невероятную чувствительность кожного покрова, который может ощутить дуновение ветерка от пролетевшего насекомого. Недавно две исследовательские группы из Калифорнии одновременно объявили о своих впечатляющих ответах.

Первая команда, из Калифорнийского университета в Беркли, выбрала в качестве ключевого элемента для своей искусственной кожи нанопроводки. Как сообщают учёные в пресс-релизе, они вырастили крошечные германиевые и кремниевые нити на специальном барабане, а затем прокатили этим валиком по подложке – клейкой полиимидной плёнке.

В итоге учёные получили эластичный материал, в структуру которого были включены нанопроводки, играющие роль транзисторов. Поверх них исследователи нанесли изолирующий слой с периодическим рисунком из тонких отверстий, а ещё выше – чувствительную к прикосновению резину (PSR).

Совет

Между резиной и нанопроводками при помощи фотолитографии навели проводящие мостики (для этого и понадобились отверстия в слое изолятора) и наконец сдобрили бутерброд тонкой алюминиевой плёнкой – финальным электродом. (Подробности авторы системы представили в статье в Nature Materials.)

Решётка из тончайших полупроводниковых нитей, совмещённая с электродами и меняющей в ответ на давление проводимость резиной типа PSR (вверху), превращена калифорнийскими умельцами в «лоскут кожи» (внизу) (иллюстрации Kuniharu Takei et al./Nature Materials).

Такой эластичный набор способен определять и точно локализовать участки, к которым прикладывается давление. Имя эта кожа получила банальное и предсказуемое — e-skin.

Новая технология позволяет использовать в качестве подложки множество материалов, от пластика до резины, а также включать в её состав молекулы различных веществ, например антибиотиков (что может оказаться весьма важным).

На опытном куске e-skin размером 7 х 7 сантиметров уместилась матрица 19 х 18 пикселей. В каждом из них содержались сотни наноштырей. Такая система оказалась способна регистрировать давление от 0 до 15 килопаскалей. Примерно такие уровни нагрузки испытывает человеческая кожа при печатании на клавиатуре или удерживании на весу небольшого объекта.

На этом рисунке кожи робота каждый чёрный квадратик соответствует одному «пикселю», элементарной точке, отвечающей за осязание (иллюстрация Ali Javey and Kuniharu Takei, UC Berkeley).

Учёные указывают на вполне определённое преимущество своей разработки перед аналогами. Большинство проектов такого рода полагается на гибкие органические материалы, которым для работы требуется высокое напряжение.

Синтетическая кожа из Беркли – первая, изготовленная на основе монокристаллических неорганических полупроводников. Она функционирует при напряжении всего в 5 вольт. Но что ещё интереснее — опыт показал, что e-skin выдерживает до 2000 изгибаний с радиусом 2,5 миллиметра без потери чувствительности.

Обратите внимание

Чувствительность кожи авторы рекламируют красочной фантазией: робот с таким манипулятором смог бы запросто обращаться с куриным яйцом, не уронив его и не раздавив (иллюстрация Ali Javey, Kuniharu Takei/UC Berkeley).

В качестве очевидной области применения в будущем такой кожи можно предположить чувствительные манипуляторы, способные оперировать хрупкими предметами.

«Если мы хотим, чтобы роботы когда-нибудь разгружали стопки, например посуды, неплохо было бы сначала убедиться, что они достаточно чувствительны, чтобы ничего не разбить», – говорит Али Джавей (Ali Javey), глава проекта e-skin в Беркли (фото UC Berkeley).

Сверхаккуратную кибернетическую руку можно дополнительно оснастить датчиками тепла, радиоактивности, химических веществ, покрыть тонким слоем лекарств и использовать на пальцах роботов-хирургов или спасателей.

В последнем случае (при работе роботов с людьми) очень важным с точки зрения безопасности окажется тот факт, что электронная кожа из Беркли, как и человеческая, ощущает прикосновение почти мгновенно (в течение миллисекунд). В теории она может полностью покрывать манипулятор робота или даже всю машину.

Вторая разработка, родом из Стэнфордского университета, использует другой подход. Как сообщают учёные, они поместили между двумя электродами слой высокоэластичной формованной резины.

Такая плёнка накапливает электрические заряды подобно конденсатору. Давление сжимает резину – а это, в свою очередь, изменяет число электрических зарядов, которые способен хранить сандвич, что и определяет электроника благодаря набору электродов.

Описанный процесс позволяет обнаружить легчайшее прикосновение, что учёные доказали на опыте. Они использовали в качестве тестера мух. В ходе эксперимента квадратная матрица со стороной в семь сантиметров и в миллиметр толщиной чувствовала посадку насекомых, весящих всего 20 миллиграммов, и реагировала на их касания с высокой скоростью.

Ещё одна иллюстрация чувствительности стэнфордского сенсора: он регистрирует прикосновения перуанской бабочки Chorinea faunus (фото L. A. Cicero/Stanford University).

Важно

Под микроскопом матрица похожа на поле, усеянное остроконечными пирамидками. В таком материале пирамидок этих может быть от сотен тысяч до 25 миллионов на квадратный сантиметр, в зависимости от требуемого пространственного разрешения.

Такой приём (вместо применения сплошного слоя резины) был необходим, поскольку монолитный материал, как выяснилось, терял свои свойства при сдавливании – точность регистрации зарядов падала. А свободное пространство вокруг микроскопических пирамид позволяет им легко деформироваться и восстанавливать исходную форму после снятия нагрузки.

Читайте также:  Теперь и у роботов есть инстинкты

Гибкость и прочность стэнфордской электронной кожи оказались очень высоки. Её нельзя растягивать, но вполне можно сгибать, обернув ею, например, руку робота.

Вверху: профессор Чжэнань Бао (Zhenan Bao) – лидер стэнфордского проекта. Внизу: такая простая полимерная плёнка с алюминиевыми проводниками послужила отправной точкой в построении новой кожи (фото L. A. Cicero/Stanford University, Stefan C. B. Mannsfeld et al./Nature Materials).

Авторы электронной кожи из Стэнфорда, чья статья также вышла в Nature Materials, отмечают, что достоинства их технологии – дешевизна и широкий диапазон давлений, который способен измерять подобный бутерброд.

А потому в качестве сфер приложения своей разработки учёные видят опять же хирургических роботов. Но не только. Искусственная кожа могла бы стать основой электронных бинтов, способных подавать сигнал при слишком слабом или опасно сильном затягивании. А ещё подобные сенсоры могли бы точно фиксировать степень сжатия руками рулевого колеса, вовремя предупреждая водителя, что он засыпает.

Обе команды утверждают, что ещё продолжат развивать данное направление экспериментов. Так что роботы будущего, по всей видимости, всё же получат кожу, приближённую по возможностям к человеческой. И пусть внешне она будет заметно отличаться от нашей – её чувствительность придаст новый смысл понятию «андроид».

Источник: https://emax.ru/world/science/14657-elektronnaya-kozha-vpervye-oschutila-prikosnoveniya-babochki.html

Протез с “искусственной кожей” сможет имитировать ощущение прикосновения

Последние разработки в области сенсорных технологий сделали возможным создание “искусственной кожи”, способной с точностью воспроизводить ощущения при прикосновении.

В опубликованной журнал Science рассказал о команде инженеров из Стэнфордского университета, сумевших создать и опробовать на мышиных тканях эластичную микросхему, реагирующую на давление и передающую информацию прямо в ткани мозга.

Продолжение работы в данном направлении может сделать реальностью конечности-протезы, лучше реагирующие на окружающую среду и лучше взаимодействующие с ней.

Совет

Для носителя протеза способность чувствовать прикосновение как раз и является той самой разницей между простым взаимодействием с миром и ощущением этого взаимодействия. Уже несколько лет ученые не оставляют попыток дать миру протез, имитирующий хотя бы некоторые свойства человеческой кожи.

Одна из наиболее многообещающих разработок – эластичные микросхемы и сенсоры, способные улавливать растяжение, тепло, давление и прочие ощущения, воспринимаемые людьми как должное.

Однако главная проблема заключается не в том, как научить протез распознавать ощущения, а в том, как донести их до мозга.

Соавтор исследования Алекс Кортос рассказал о том, что процесс усвоения искусственной кожей поступающей информации заключается в необходимости собирать аналоговые сигналы, а затем с помощью компьютера или микроконтроллера конвертировать их в нечто понятное человеческому организму. Однако такой вид коммуникации создает лишний “шум” в получаемой мозгом информации, что приводит к увеличению энергозатрат на ее обработку. Чтобы обойти эту проблему, инженеры Стэнфордского университета надеются найти способ изменить принцип работы сенсоров.

Их технология состоит из печатных схем, объединенных с углеродными нанотрубками, обладающими способностью проводить тем больше электричества, чем сильнее они подвергнуты сжатию.

Это создает множество дискретных электрических импульсов, которые Кортос назвал “напоминающими азбуку Морзе”, пригодных для обработки мозгом. Он объяснил, что по такому же принципу действует и наша с вами кожа.

Что касается искусственной кожи, она состоит из пластика со вставленными в него датчиками давления, умещающиеся на кончике пальца; на роботизированной руке они будут выглядеть лишь как микроскопические черные точки.

Соединенный с живым телом протез сможет передавать информацию с помощью прямых электрических импульсов. Это свойство робо-руки было проверено специальной системой под названием оптогенетика; с ее помощью можно генетически модифицировать клетки так, что они станут реагировать на свет.

Обратите внимание

Сенсор подвесили к светодиодной лампе, загорающейся от полученных импульсов, что свидетельствовало о получении мышиными нейронами сигнала.

Конечно, эксперимент не дает понять, что именно “чувствует” кожа в этот момент, но он подтверждает факт того, что сенсоры могут взаимодействовать с настоящими клетками мозга, хоть и находящимися в пробирке, а не в черепной коробке.

И в этом исследователи видят будущее своей технологии. “Получив способ передачи информации, идентичный человеческому организму, эти устройства стали намного лучше совместимы с ним”,- считает Кортос, упомянув, однако, что сейчас еще сложно сказать, продолжится ли развитие протезов именно в этом направлении.

“Эта технология, как и любая другая, обладает сильными и слабыми сторонами”,- объяснил ученый. Каждый такой сенсор сам по себе является довольно сложным устройством, так как обрабатывает информацию в отдельности от других. И поиск способа подсоединить каждый из них к человеческому организму – задача, которую еще только предстоит решить.

“Одна из основных наших проблем на сегодня – это придумать, как подсоединить каждый сенсор напрямую к нервам”.

На данный момент следующая стадия развития технологии – сделать печатные сенсоры или, как их еще называют, “пиксели”, еще меньше, что позволит уместить большее их количество на меньшем участке протеза (как на компьютерном мониторе).

Это сделает протез не только более чувствительным, но и поможет сэкономить место для сенсоров, имитирующих другие свойства человеческой кожи.

“С технологией, способной взаимодействовать с организмом, нам нужно больше места, чтобы поместить в протез множество других датчиков: например, температуры и растяжения”,- рассказал Кортос.


После проведения первых опытов исследователи хотят протестировать систему на животных, а не просто на корковых клетках в лаборатории.

В конце концов, их цель – создать технологию, которую можно будет задействовать не только в протезах, но и в переносных устройствах и даже гибких дисплеях (коммерческий вариант эластичных сенсоров, возможно, увидит свет уже через 3-5 лет).

Источник: https://utmagazine.ru/posts/13876-protez-s-iskusstvennoy-kozhey-smozhet-imitirovat-oschuschenie-prikosnoveniya

Как “оживить” потерянные конечности и заставить роботов чувствовать

Четверг, 22 Октября 2015, 14:18

Новая искусственная кожа, способная передать полную гамму естественных тактильных ощущений, станет отличным дополнением к бионическим протезам, возвращая их обладателям чувство осязания

В последние годы ученые добились немалых успехов в области протезирования: искусственные органы максимально имитируют функции природных и наилучшим образом приживающиеся в организме человека, а технологии мозг-компьютер позволяют легко управлять конечностями.

Единственная проблема, которая все еще не решена, – это отсутствие тактильной чувствительности. Создание способной осязать искусственной кожи важно не только в протезировании, но и в области робототехники. Все чаще роботов привлекают к участию в поисково-спасательных операциях.

Важно

Умение аккуратно обращаться с разными объектами требует быстрого определения структуры их поверхности и допустимого давления. Ведь роботам приходится не только расчищать завалы, но и извлекать из-под них раненых людей, которые, как правило, без сознания.

Механическому спасателю необходимо постоянно чувствовать, что он держит в руках, и точно дозировать усилия.

Необходимы тактильные ощущения и роботам, участвующим в космических миссиях. По фотографиям сложно определить характер поверхности планеты на предстоящем участке пути и зачастую марсоходы завязают в податливом грунте, после чего у них блокируются колеса. Если запускать вперед роботов с “чувствительными” конечностями, можно будет проложить для дорогой техники оптимальный путь.

Имитация человеческого восприятия при помощи электроники – задача чрезвычайно сложная. Кожа человека оснащена множеством сенсоров, воспроизвести которые чрезвычайно сложные. Но самое главное, нужно связать тактильные ощущения с мозгом – чтобы не только чувствовать прикосновения, но и идентифицировать предмет, к которому прикасаются пальцы в искусственной коже.

Первый серьезный шаг на пути к созданию чувствительной кожи сделали исследователи из Национального университета Южной Кореи. Они создали материал с множеством полимерных волосков, очень чутко реагирующих на прикосновения, даже более чутко, чем природная кожа человека.

Однако на этом достоинства материала заканчиваются: прикасаясь к поверхности, он не распознает ее состав, рельеф и т.п. Немного дальше продвинулась американская компания Syntouch, которая разработала искусственную кожу для изготовления чувствительных роботизированных пальцев BioTac.

Материал основан на системе микродатчиков, реагирующих на температуру поверхности и различающих свыше ста различных текстур. Проблема в том, что из-за относительно низкой плотности расположения чувствительных элементов “ощупывание” занимает довольно много времени. Кроме того, кожа человека в шестьдесят раз чувствительнее.

Впрочем, для роботов-манипуляторов, в обязанности которых входит в основном перемещение предметов, этого достаточно.

Совет

В активе мировой науки такжеэлектронная кожа, или e-skin, созданная  в Университете штата Калифорния в Беркли. Ее разработали для роботов, которые выполняют операции, требующие особой “чуткости” и осторожных прикосновений, а также для обеспечения чувства осязания в протезах. Покрытие, обладающее эластичностью и прочностью настоящей кожи, состоит из крошечных нанополупроводников.

E-skin может определять форму предмета, его температуру и передавать сигнал: материал позволяет не только прикасаться к объектам, но и чувствовать уровень давления на них.

Для роботов-спасателей технология безупречна, но в область протезирования она не вносит ничего нового. Большинство бионических протезов имеют связь только в одну сторону – передают команды от человека к протезу.

И если обернуть искусственную конечность в e-skin,при всей своей чувствительности, она не способна передать мозгу информацию о структуре объекта.

Приблизиться к решению этой задачи удалось недавно южнокорейским исследователям из Института фундаментальных наук и Национального университета Сеула, которые разработали материал, способный чувствовать давление, тепло и влажность. Облаченные в такую кожу протезы выполняют такие сложные операции, как работа на клавиатуре, способны держать чашку с горячим или холодным напитком, определять сухих и влажные поверхности и т. п.

Основой такой кожи является гибкий и эластичный силиконовый материал – полидиметилсилоксан.

Читайте также:  Общий круг задач, решаемых искусственными нейронными сетями

В его структуре есть гибкие спирали из кремниевой наноленты, которые при растяжении или деформации вырабатывают электрический ток, обеспечивая осязательную электрическую обратную связь.

Кроме того, кремний меняет свои электрические характеристики в ответ на изменение температуры, что позволяет при помощи тех же кремниевых нанолент достаточно точно определять температуру объекта прикосновения.

Обратите внимание

Материал также снабжен конденсаторами, выступающими в роли датчиков влажности. Принцип работы основан на физических законах: когда полимер, окружающий конденсатор, поглощает воду, влага меняет свойства полимера в отношении сохранения заряда.

Конденсаторы измеряют заряд, устанавливая уровень влажности окружающей среды. Такая кожа может использоваться не только для роботов манипуляторов, но и для протезов нового поколения с обратной связью.

Протез в электронной коже, связанный с центральной нервной системой, будет восприниматься человеком как “родной” орган.

Новейшая, самая впечатляющая разработка  в сфере создания искусственной кожи, принадлежит ученым из Стэндсфордского университета. Материал, способный вернуть человеку естественное чувство осязания, представляет собой набор электронных датчиков, посылающих в мозг такие же импульсы, как и настоящая кожа человека. Статья, посвященная этой инновации, опубликована в новом журнале Science.

Новый материал состоит из двух слоев. Верхний отвечает за механическую чувствительность и способен определять как легкие касания, так и твердое рукопожатие, а нижний передает электрические сигналы и преобразовывает их в совместимые с нервными клетками биохимические раздражители. То есть, материал способен определять давление и одновременно передавать сигнал компонентам нервной системы.

Возглавившая разработку профессор химической инженерии Стэнфордского университета Чженань Бао рассказывает, что ранее сигнал от сенсоров, “чувствующих” давление, должен был проходить через компьютер или микроконтроллер, которые преобразовывали его для дальнейшей передачи импульса в мозг. Такой способ передачи информации сложный, кроме того, по пути сигнал искажается. Новый материал позволяет исключить лишнее звено в процессе транспортировки импульса.

Причем ученые нашли способ передачи сигналов в мозг без вживления в него повреждающих ткани металлических электродов: электронные импульсы от датчиков осязания направили к светодиоду, а он конвертировал их в поток поступающих к мозгу импульсов синего света.

Эксперименты проводили на мышах, которым предварительно изменили соматосенсорную кору мозга таким образом, что она стала поглощать синий свет и адекватно реагировать на поступающие с ним данные. Теперь осталось адаптировать технологию к организму человека.

Важно

Как только ученые найдут методику долгосрочной безопасной передачи электрических сигналов к мозгу от искусственной кожи, можно будет говорить о начале разработки полноценных чувствительных протезов нового поколения. В частности,

Искусственная кожа будет отличать различные по характеру воздействия, например, прикосновение вельвета и шелка. В перспективе технология позволит создавать протезы, способные передавать максимальный спектр ощущений. Кроме того, ученые надеются, что чувствительность протезов позволит облегчить фантомные боли, от которых страдают порядка 80% людей с ампутированными конечностями.

Источник: http://www.dsnews.ua/future/kak-ozhivit-poteryannye-konechnosti-i-zastavit-robotov-22102015120800

Новые достижения в разработке «искусственной кожи» с наличием сенсорной обратной связи для протезов конечностей

24 ноября 2015

Команда инженеров из  университета  Стэнфорда   создала материал из  пластика, который  чувствует  давление и передает   сигнал прямо в  нейроны  мозга. Они утверждают, что их работа  сделала еще один шаг на пути создания  роботизированных протезов   конечностей с  наличием сенсорной чувствительности.

 Инженеры, под руководством профессора Зенана Бао, опубликовали результаты своей работы в журнале  « Science».

Профессор Бао  уже в течение десяти лет занимается разработкой материала, который может имитировать способность кожи к  пластичности и регенерации, а также посылать сигналы в мозг, которые передают температуру, боль и  сенсорные ощущения.  Основной задачей ученых  является создание эластичной ткани    с  наличием  датчиков, которые покрывают   протез и   дублируют сенсорные ощущения  живой кожи .

Технически такая искусственная кожа сформирована двумя слоями  пластика. Поверхностный слой  работает как чувствительная структура, а подлежащий  слой  выполняет функцию контура,  генерируя электрические сигналы и передавая   их  импульсно в   нервные  клетки.

В своей новой работе, инженеры встроили в верхний слой датчики, которые распознают давление так же, как и    кожа руки человека, которая может различить как небольшое давление при касании одним пальцем, так и ощущения от твердого рукопожатия.

 Кожа человека  содержит рецепторы, которые посылают цифровые сигналы для “тактильного зондирования”, в котором различные показатели  давления преобразуется в последовательность импульсов напряжения.

“Это первый случай, когда материал  гибкий, как  кожа, был способен  воспринимать  давление, а также передавать сигнал  в структуры  нервной системы, « говорит профессор Бao.

Сенсорная информация передается аналогично   “азбука Морзе”

5 лет назад, команда впервые  представила возможность использования   пластмассы и резины в качестве барометрических  датчиков давления,  за счет замеров  показателей гибкости  молекулярных структур этих материалов. Им удалось   повысить   эту чувствительность к  давлению  за счет того, что  в пластик был встроен  вафельный  шаблон, а далее проводится  конденсация молекулярных пружин пластика .

Совет

Для воплощения  способности воспринимать давление в электронном виде, исследователи  ввели  миллиарды углеродных нанотрубок  в структуру пластика. Ученые объяснили  , что сжатие пластика  приводит к сближению  нанотрубок , что делает  возможным  индукцию электрических импульсов .

Таким образом, удалось сделать так, что   датчики в  пластике  были  в состоянии имитировать сенсорные возможности кожи  человека, и  они в состоянии транслировать  барометрическую информацию с помощью    электрических коротких  импульсов  –  наподобие  азбуки Морзе.

Полученные импульсы затем подвергаются сенсорной обработке. После прекращения воздействия давления  электроимпульсация исчезает  . Профессор Бao и ее команда затем подключили  чувствительный слой пластика  ко второму слою   пластиковой  кожи, которая,  в свою очередь, может  передавать электрические  импульсы  в нейроны.

 Завершающей  задачей команды ученых  было продемонстрировать, что электрический  импульс  может быть  воспринят живым  нейроном. Им это удалось сделать с помощью методики, разработанной Стенфордским профессором биоинженерии – Карлом Дейссеротом, который впервые разработал оптогенетику.

Еще предстоит провести много работ

Для завершения  поставленной  задачи, исследователи  сформировали  цепь  нейронов, аналогичную  периферической части  нервной системы человека, трансформируя  электрические  сигналы давления от   пластиковой  кожи в световые  импульсы. Таким образом, происходила активация нейронов   и  это доказало, что  искусственная  кожа может создать сенсорную реакцию, которая  способна воздействовать    с нейронами.

Хотя  в этом эксперименте использовался   метод с использованием   оптогенетики, исследователи планируют искать также другие методики для использования в производстве реальных  протезов.   В конечном итоге, планируется  создать  и другие датчики, которые могли бы дать возможность искусственным  конечностям  чувствовать   разницу  ,например,   между вельветом  и шелком.

“Нам предстоит выполнить еще много  работы для того, чтобы  из экспериментальных результатов перейти к практическому использованию, «  заключает  профессор Бао. “Но, посвятив  много лет  этой работе, я теперь вижу  путь, каким образом, можно создать  искусственную кожу.”

Подробнее

Источник: https://www.dikul.net/interest/3/116.html

SmartHand – чувствительный протез руки

SmartHand — совместный проект Европейского союза с участием Израиля по разработке искусственной руки, которую пациент сможет ощущать, как реальную руку. В каком-то смысле наши руки определяет нашу человеческую сущность. Анатомические и функциональные особенности человеческой руки позволяют нам писать, рисовать и играть на пианино.

Те, кто теряет руки в результате несчастного случая, травмы или болезни часто чувствуют, что они потеряли больше, чем простую утилиту. Новое изобретение исследователей Тель-Авивского Университета может изменить эту ситуацию.

Профессор инженерного департамента Тель-Авивского университета по разработкам Йоси Шахам-Диаманд (Shacham-Diamand), сотрудничая с группой ученых из Евросоюза, разработали методику создания протеза руки, в котором используются сохранившееся нервные окончания в культе ампутированной руки.

Устройство под названием «SmartHand» не только внешне похоже на руку обычного человека, но и позволяет вернуть человеку то, что до этого времени считалось невозможным после ампутации — чувствительность в верхней конечности.

Робин Экенстрем (Robin af Ekenstam) из Швеции, первый пациент, участвовавший в испытаниях SmartHand, не только смог заново научиться выполнять такие сложные задачи, как самостоятельный прием пищи, умение писать, но и снова вернул себе способность «чувствовать» свои пальцы.

Обратите внимание

Короче говоря, профессор Шахам-Диаманд и его команда заново вернули не только движения, но и чувствительность своему пациенту при помощи SmartHand.

Шахам-Диаманд при работе над проектом «SmartHand», в котором Университет Телль-Авива сотрудничал с Лундским университетом из Швеции, отвечал за разработку блока, который представляет собой интерфейс между нервами человеческого тела и электроникой SmartHand.

«Абсолютно сохранные и пригодные для дальнейшего использования нервные волокна остаются практически у всех пациентов после ампутации верхней конечности», — говорит исследователь, — «наша команда создала интерфейс между устройством и нервами на руке, соединив чувствительные нервные окончания с датчиками SmartHand, использщуя при этом новейшие информационные технологии».

Профессор Шахам-Диаманд возглавляет одну из ведущих лабораторий в мире в области нанотехнологий и связанных с ними разделов биологии — Департамент электротехники Тель-Авивского университета.

Читайте также:  Маленькие роботизированные лодки будут защищать военные корабли

Его группа тесно сотрудничала с лабораторией физической электроники кафедры нано-информационных технологий под руководством Бернарда Л. Шварца.

«Наша задачей», — отметил Шахам-Диаманд, — «было создание электрода, который был бы не только гибким и соответствовал возложенным на него задачам в функциональном плане, но и, будучи имплантированным в тело человека, мог нормально функционировать, по крайней мере, лет 20».

Искусственная рука SmartHand, созданная командой израильских и европейских ученых, будет передана в собственность ее первому испытателю — Робину Экенстрему.

«После всего лишь нескольких учебных занятий Робин научился пользоваться искусственной рукой, как будто это его собственная рука», — говорит профессор Шахам-Диаманд, — «мы создали в SmartHand не только устройства для приведения ее в движение, но и вмонтировали тактильные датчики, так что передача информации идет двумя путями. Они позволяют Робину выполнять довольно трудные, но и очень необходимые манипуляции, такие, например, как еда и письмо».

Робин Экенстрем сказал в одном из интервью: «Я использую мышцы, которые я не использовал много лет. Я хватаю что-то твердое и чувствую его в руках, что поначалу является несколько странным и непривычным чувством, поскольку у меня этих мышц и пальцев больше нет. Удивительно!».

Эта конкретная разработка является частью многомиллионного проекта по изготовлению протезов рук нового поколения, работу над которым ведут исследователи из Израиля и Евросоюза. Разработчики SmartHand считают, что такой же тип протезов может быть использован у пациентов с ампутированными нижними конечностями.

По их мнению, создание бионического протеза ноги команда может также иметь встроенный Bionic ногами быть подключены к мозгу. Команда первого особых затруднений вызвать не должно, т.к. основная часть работы уже проделана при разработке SmartHand. «Иннервация пальцев рук являются наиболее сложной из всех частей тела, т.к. они выполняют огромное количество движений, в т.ч.

и очень тонких», — отмечает профессор Шахам-Диаманд, — «нашему мозгу необходимо синхронизировать движение каждой мышцы, при этом обрабатывается огромный массив информации».

С помощью команды Тель-Авивского университета удалось интегрировать последние достижения в области современного «умного» протезирования рук, а также придать искусственной руке все основные черты человеческой руки из плоти и крови. Четыре электродвигателя и 40 датчиков SmartHand активируются при прикосновении искусственных пальцев к объекту, а не только повторяют движения человеческой руки, они также предоставляет владельцу ощущение от прикосновения.

Хотя прототип SmartHand выглядит сейчас как лабораторная разработка, в будущем ученые предполагают создать для SmartHand искусственную кожу, которая даст мозгу еще больше тактильной информации для улучшения обратной связи. Исследователями будут также изучаться используемые в реальной жизни образцы SmartHand у людей с ампутированными конечностями для улучшения устройств и механизмов SmartHand с течением времени.

Исследования ученых Евросоюза не одиноки в этом мире и похожий проект под названием “Luke Arm” разрабатывает американский ученый Дин Камен.

Исследования Камена нацелены на проектировку моторизированной и роботизированной руки с захватом нервных импульсов, «рука» напрямую соединена с нервными окончаниями пациента, который способен контролировать движение моторов усилием мысли — уже продемонстрированы замечательные результаты.

Важно

Изначально Дин Камен занимается исследованиями в этой области, чтобы возместить потерянные солдатами конечности в боевых операциях.

Но технология SmartHand и роботизированная рука Камена также предназначается для всех жертв ампутации.

Как сообщают исследователи, роботизированные протезы конечностей в будущем могут стать даже сильнее обычных человеческих рук и ног. Но стоит понимать, что стоимость таких протезов в ближайшем не снизится ниже миллионного уровня.

Источник: https://is-med.com/publ/16-1-0-684

Как научить робота чувствовать? – NanoJam.ru — магазин роботов

Для многих из нас уже привычное явление, что роботы могут видеть и слышать на уровне человека. В зависимости от поставленных задач они наделены различными расширенными спектрами восприятия. Итак, научить робота чувствовать могут следующие технологии:

№1: Датчики

Это основной способ заставить робота ощущать мир вокруг себя.

Датчики бывают оптические, звуковые, инфракрасные, тактильные, датчики положения и температуры. Первые три являются наиболее распространенными. С их помощью робот «видит» и «слышит» ближайшие вокруг себя объекты.

Кроме того, эти сенсоры самые доступные. В среднем, стоимость этих датчиков варьируется в пределах 10 долларов.

Простейшие роботы в основном используют инфракрасные и ультразвуковые датчики для определения препятствий на своем пути и их обхождения.

К их числу можно отнести микрофон, служащий для фиксации звука, голоса и шума, дальномеры для измерения расстояния до ближайших объектов и ультразвуковые сенсоры, которые используются практически во всех подвижных механизмах.

Если речь идет о беспилотных летательных аппаратах или роботах с возможностью самобалансировки, здесь нужны датчики наклона, гироскопы и акселерометры. Кроме того, не обойтись без GPS – спутниковой системы навигации. Эта система обеспечивает измерение расстояния, времени и определяет местоположение робота в пространстве. 

Гироскоп нужен для балансировки и стабилизации любого устройства. Это доступный датчик (около 1 500 рублей), который можно установить на любой самодельный механизм. 

Акселерометр, используемый в робототехнике, помогает программному обеспечению устройства определить положение, а также расстояние перемещения робота в пространстве.

Совет

Если робот имеет только одну ось, акселерометр показывает положение объекта в пространстве только в пределах чувствительности оси.

Но, как правило, роботы имеют несколько осей, объединив которые можно вычислить положение объекта в трехмерном пространстве.

Видео:

№2: Техническое зрение

Зрение – крайне важен орган чувств у роботов. Самые простые оптические датчики – это датчики отражения (излучатель и приемник). Они позволяют роботу определять различные по цвету участки на поверхности и обходить препятствия. Источником света обычно служит инфракрасный светодиод с линзой, а детектором — фотодиод или фототранзистор.

Но речь идет не только о датчиках. В основе технического зрения лежит аналитическая формализация, направленная на решение конкретных задач.

Самые простые системы технического зрения основаны на методе сегментации – выделении черт и частей объектов, на основе которых робот формирует свое представление об увиденном. Далее, при работе более сложных алгоритмов можно научить робота распознавать черты лица, жесты и движения.

Камеры передают эти данные на центральный компьютер для обработки и сохранения. И таким образом, видя одного и того же человека, робот будет «помнить» его по лицу или другим чертам.

№3: Силовая обратная связь

Сигнал обратной связи важен в тех случаях, когда робот должен уметь захватывать разнообразные предметы, и даже очень хрупкие. Обычно, такие сенсоры практикуют в разработке роботизированных протезов, роботов для промышленности и социальных устройств с функциями манипулирования предметами.

Но и простейшие роботы могут быть наделены такими датчиками. Самый простой тактильный сенсор может быть представлен в виде небольшого отрезка стальной проволоки с пружиной на конце.

Этот отрезок должен прилагаться к плате со стороны пружины и свободно двигаться в нужные стороны. По центру пружины к плате прикрепляется короткий стержень из проволоки.

Прикасаясь отрезком к препятствию, происходит замыкание между пружиной и центральным стержнем, что интерпретируется как столкновение.

На данный момент лучшим устройством для обеспечения сигнала обратной связи является тензодатчик, разработанный на кристаллах кремния, которые создают незначительный, но мгновенный отклик.

Силовые датчики должны обладать высоким уровнем выходного напряжения, быть прочными, нечувствительными к температурным изменениям и иметь небольшую массу. Независимо от вида силовых датчиков обратной связи они должны иметь способность устранять сигналы внешних факторов (сильный шум, вибрация), а также должны быть защищены от повреждений с помощью автоматического отключения.

№4: Искусственная кожа

Искусственная кожа с возможностью ощущать прикосновения стала настоящим вызовом для специалистов робототехники. По сути, это сенсорная технология, использующая сигналы от микро-датчиков, размещенных на расстоянии нескольких миллиметров. С помощью искусственной кожи роботы реагируют на температуру, текстуру и форму поверхности.

Ученые из Стэнфордского университета пару лет назад создали эластичный материал, который выполняет роль одновременно гибкой солнечной панели и тактильного датчика.  Чувствительность к прикосновениям была добавлена за счет микротранзисторов, которые регистрируют изменения силы тока.

Продвигаясь в этом направлении, ученые из Технологического института Джорджии добавили компоненты оптоэлектроники для упрощенной регистрации этих сигналов. 

Обратите внимание

В свою очередь, исследователи университета Сингапура разработали многослойную искусственную кожу с датчиками запоминания информации о прикосновениях. Устройство воспроизводит работу тактильной памяти в головном мозге, которая сохраняет ощущения, переданные рецепторами кожи, после прекращения воздействия.

Эта кожа поможет роботам определять, какой объект они берут, рассчитывая силу захвата, чтобы не повредить его.
Конечно, до идеальной кожи для роботов пока далеко, но уже сейчас, как видите, есть много перспектив в этом исследовании.

Видео:

Подводя итоги, отметим, что используемые сенсоры обеспечивают развитие робототехники как на среднем, так и на высоком уровне. Чувствительные конечности нужны роботам, чтобы быть более способными в выполнении различных задач. В большой степени они помогают продвижению человекоподобных машин, к уровню которых так стремятся большинство ученых по всему миру.

Источник: https://nanojam.ru/news/kak_nauchit_robota_chuvstvovat

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector