Исследователи из Массачусетского технологического института разработали роботизированный палец с острым концом и тактильными датчиками для решения задачи идентификации зарытых объектов. В ходе экспериментов палец, получивший название Digger Finger, смог прогрызть зернистые материалы, такие как песок и рис, и точно определить форму подводных объектов, с которыми он столкнулся. Исследователи говорят, что в будущем робот сможет выполнять различные подземные задачи, такие как поиск зарытых кабелей или обезвреживание зарытых бомб.

Результаты исследования будут представлены на предстоящем Международном симпозиуме по экспериментальной робототехнике. Ведущим автором исследования является Радхен Патель, научный сотрудник Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта (CSAIL) Массачусетского технологического института (MIT). Соавторами являются докторант CSAIL Бранден Ромеро, докторант Гарвардского университета Нэнси Оуян и Эдвард Адельсон, профессор кафедры визуальных наук им. Джона и Дороти Уилсон в CSAIL и на факультете когнитивных и нейробиологических наук.

Поиск объектов, погребенных в зернистом материале — песке, гравии и других рыхлых частицах — не является чем-то новым. Ранее исследователи использовали технологии, позволяющие обнаруживать подземные структуры сверху, такие как георадар или ультразвуковые колебания. Но эти методы дают лишь размытое изображение затопленных объектов. Например, им трудно отличить горные породы от костей.

«Итак, идея состоит в том, чтобы создать палец, обладающий хорошим осязанием и способный различать разные вещи, которые он чувствует», — говорит Адельсон. «Это было бы полезно, например, при поиске и обезвреживании заложенных бомб». Реализация этой идеи потребовала преодоления ряда препятствий.

Первой задачей команды стала форма: роботизированный палец должен был быть тонким и иметь острый кончик.

В предыдущих работах исследователи использовали сенсор касания под названием GelSight. Сенсор состоял из прозрачного геля, покрытого отражающей мембраной, которая деформировалась при нажатии на нее объектов. За мембраной располагались светодиоды трех цветов и камера. Свет проходил сквозь гель и попадал на мембрану, а камера фиксировала отражающий рисунок мембраны. Затем алгоритмы компьютерного зрения извлекали трехмерную форму области контакта, где мягкий палец касался объекта. Устройство обеспечивало отличное искусственное тактильное ощущение, но было неудобно громоздким.

Для создания устройства Digger Finger исследователи уменьшили размер своего датчика GelSight двумя основными способами. Во-первых, они изменили его форму на тонкий цилиндр со скошенным концом. Затем они убрали две трети светодиодов и использовали комбинацию синих светодиодов и цветной флуоресцентной краски. «Это позволило значительно упростить конструкцию и сэкономить место», — говорит Оуян. «Это позволило нам сделать устройство очень компактным». В результате получилось устройство, сенсорная мембрана которого имеет площадь около 2 квадратных сантиметров, что примерно соответствует кончику пальца.

После решения проблемы с размерами исследователи сосредоточились на движении, закрепив палец на роботизированной руке и копая в мелкозернистом песке и крупнозернистом рисе. Гранулированные среды, как правило, забиваются, когда множество частиц задерживаются на месте, препятствуя проникновению. Поэтому команда добавила вибрацию к возможностям «Пальца копателя» и подвергла его серии испытаний.

«Мы хотели выяснить, как механические вибрации помогают копать глубже и преодолевать засоры», — говорит Патель. «Мы запускали вибрационный двигатель при разных рабочих напряжениях, что изменяет амплитуду и частоту вибраций». Они обнаружили, что быстрые вибрации помогают «разжижать» среду, устраняя засоры и позволяя копать глубже, хотя этот эффект разжижения было сложнее достичь в песке, чем в рисе.

Они также протестировали различные вращательные движения как на рисе, так и на песке. Иногда зернышки из каждой среды застревали между тактильной мембраной «Копателя» и закопанным объектом, который он пытался обнаружить. Когда это происходило с рисом, застрявшие зернышки были достаточно крупными, чтобы полностью скрыть форму объекта, хотя обычно засорение можно было устранить небольшим роботизированным движением. Застрявший песок было сложнее удалить, хотя небольшой размер зерен позволял «Копателю» все еще определять общие контуры объекта.

Патель говорит, что операторам потребуется корректировать схему движения «пальца копателя» для различных условий эксплуатации «в зависимости от типа среды, а также размера и формы зерен». Команда планирует продолжить изучение новых способов движения для оптимизации способности «пальца копателя» перемещаться по различным средам.

Адельсон говорит, что Digger Finger — это часть программы, расширяющей области применения роботизированного тактильного восприятия. Люди используют пальцы в сложных условиях, будь то поиск ключа в кармане брюк или ощупывание опухоли во время операции. «По мере совершенствования искусственного тактильного восприятия мы хотим иметь возможность использовать его в ситуациях, когда вас окружает множество отвлекающей информации», — говорит Адельсон. «Мы хотим уметь различать важные вещи и неважные».

Данное исследование частично финансировалось Научно-исследовательским институтом Toyota через Объединенный исследовательский центр Toyota-CSAIL, Управлением военно-морских исследований и Норвежским исследовательским советом.