У світі, де роботи все активніше проникають в наше життя, як на виробничих майданчиках, так і в побуті, питання безпеки взаємодії людини і машини стає критично важливим. Нове дослідження пропонує інноваційне рішення – “електронну шкіру” для роботів, розроблену із застосуванням принципів стародавнього японського мистецтва кірігамі, здатну істотно знизити ризик зіткнень і травм.
Співпраця людини і робота: виклик безпеки
Сучасна роботизація пропонує величезні можливості для підвищення продуктивності і автоматизації рутинних завдань. Однак, все більш тісна взаємодія людей і роботів в обмеженому просторі створює нові ризики. Випадкові зіткнення можуть призвести до травм, особливо при інтенсивних рухах обладнання. Тому розробка систем безпеки, що не впливають на ефективність роботи роботів, – завдання першорядної важливості.
Імітація людської реакції: основа інновації
Люди інстинктивно реагують на біль і фізичні впливи. Ми відчуваємо дотик, оцінюємо інтенсивність удару та вживаємо захисних заходів, щоб уникнути подальших травм. Дослідники Гонконгського університету науки і технологій надихнулися цією людською реакцією, створивши “електронну шкіру” для роботів, здатну імітувати поведінку організму людини при зіткненнях. Це дозволяє роботу моментально розпізнавати удар, визначати його місце розташування і енергію, і швидко реагувати, щоб мінімізувати збиток.
Проблеми існуючих рішень: дорожнеча і складність
Існуючі електронні” шкіри ” для роботів, засновані на гнучких електронних технологіях, стикаються з низкою проблем. По-перше, використовувані матеріали досить дорогі, а виробничі процеси ще не відпрацьовані в повній мірі. По-друге, для забезпечення високої роздільної здатності та охоплення великої площі потрібна величезна кількість датчиків, що ще більше збільшує вартість і ускладнює масове впровадження.
Кірігамі як джерело натхнення: новий підхід до дизайну
Рішення прийшло з абсолютно несподіваного джерела-японського мистецтва кірігамі. Кірігамі, мистецтво вирізання та складання паперу, дозволяє створювати складні тривимірні структури з плоского аркуша. Дослідники адаптували принципи кірігамі для створення нової “електронної шкіри”, поєднуючи ультразвукове виявлення, сенсорику та машинне навчання.
Ультразвук, датчики та машинне навчання: три кити інновації
“Ми розробили нову електронну оболонку, засновану на поєднанні ультразвукового виявлення, сенсорики і машинного навчання, увібравши в себе концепцію дизайну кірігамі”, – говорить Фан Ши, член дослідницької групи. – Завдяки використанню сучасних промислових датчиків, конструкції друкованих плат і широкому спектру ультразвукових хвиль, ця технологія значно знижує витрати і, як очікується, буде впроваджена на масовому ринку”.
Ключові особливості нової розробки:
- Ультразвукове виявлення:Ультразвукові хвилі дозволяють визначати місце зіткнення з високою точністю.
- Сенсорика:Сенсори фіксують силу удару і інші параметри, необхідні для оцінки ситуації.
- Машинне навчання:Алгоритми машинного навчання інтерпретують дані з датчиків і визначають тип і інтенсивність зіткнення.
- Дизайн Кірігамі:Оптимізована структура дозволяє охопити велику площу, використовуючи мінімальну кількість датчиків.
Економічність і ефективність: поєднання, яке змінює правила гри
Нова розробка дозволяє знизити вартість “електронної шкіри” до менше 5 доларів, що робить її доступною для широкого застосування в робототехнічній галузі. Однак, економічність не може бути самоціллю. Важливо, щоб система була ефективною у своїй ролі. Для оцінки точності роботи системи була створена спеціальна тестова установка, яка моделювала різні типи зіткнень. За допомогою машинного навчання, дані, отримані з тестової установки, порівнювалися з точними показниками, що дозволило домогтися високої точності розпізнавання.
Інтеграція в реальні системи: перевірка на міцність
Для оцінки загальної продуктивності” електронна шкіра ” була встановлена на комерційну роботизовану руку. Результати перевершили всі очікування. Система забезпечила виявлення зіткнень з точністю до міліметрового рівня і часом відгуку всього в десятки мілісекунд. Ці показники відповідають вимогам самих передових додатків.
Майбутнє “Електронної шкіри”: оптимізація та співпраця
В даний час команда планує продовжити оптимізацію дизайну “Електронної шкіри” та вдосконалити програмне забезпечення для збільшення швидкості відгуку та підвищення точності виявлення зіткнень. Крім того, ведеться пошук промислових партнерів для співпраці з метою розробки та впровадження цієї інноваційної технології в різних областях застосування.
“Ми вважаємо, що масштабне впровадження може бути досягнуто протягом 2-3 років, якщо ми знайдемо потрібних користувачів”, – підсумовує Фан Ши.
Посилання:R. Jiao, Z. Wang, R. Wang та ін., глибоке навчання на основі контактного зондування великої площі для безпечної взаємодії людини та робота за допомогою електронної шкіри робота з конформною структурою кірігамі, передові інтелектуальні системи (2025). DOI: 10.1002/aisy.202400903
Авторське зображення:Unsplash
