Eine neue Haut auf Hydrogelbasis mit taktilen Sensorfunktionen

Seit Jahrzehnten versuchen Robotiker, Roboter zu entwickeln, die dem Menschen in Aussehen und Fähigkeiten sehr ähnlich sind. Jüngste technologische Fortschritte haben aufregende neue Möglichkeiten für die Schaffung menschenähnlicher Robotersysteme eröffnet, beispielsweise durch die Einführung fortschrittlicherer Sensoren und weicher künstlicher Häute.

Forscher des Bio-Inspired Robotics Lab der University of Cambridge haben kürzlich eine neue Haut auf Hydrogelbasis entwickelt, die es Robotern ermöglichen könnte, die taktilen Eigenschaften von Objekten zu erkennen und den menschlichen Tastsinn künstlich zu reproduzieren. Diese hoch dehnbare Haut, die in einem Artikel vorgestellt wurde, der in veröffentlicht wurde Materialien heute Elektronikrekonstruiert taktile Reize mit einer Reihe von Elektroden und einem modellfreien rechnerischen Ansatz.

„In letzter Zeit haben sich Forscher auf der ganzen Welt dafür interessiert, wie Roboter aus flexiblen und dehnbaren Materialien hergestellt werden können“, sagte David Hardman, einer der Forscher, der die Studie durchführte, gegenüber TechXplore. „Die Arbeit mit diesen ‚weichen‘ Robotern ist sicherer, sie beschädigen die Gegenstände, mit denen sie interagieren, nicht und können Aufgaben erledigen, die für traditionelle ‚starre‘ Roboter sehr schwierig sind weich sein, einschließlich aller Sensoren.“

Hardman und seine Kollegen ließen sich von der menschlichen Haut inspirieren und machten sich daran, ein dehnbares Sensormaterial zu entwickeln, das Schäden erkennen, Objekte oder die Berührung eines Menschen erkennen und seine Umgebung überwachen kann. Die von ihnen geschaffene künstliche Haut basiert auf einem Hydrogel (dh einem wasserunlöslichen Gel, das auch Wasser enthält), das mit einem elektrodenbasierten Hardwaresystem gekoppelt ist.

„Wir verwenden ein speziell entwickeltes sensorisiertes Hydrogel als Grundlage unserer Haut, da dieses biologisch abbaubar, anpassbar und sehr dehnbar ist“, erklärte Hardman. „Wir koppeln dies mit Hardware für die elektrische Impedanztomographie (EIT), die Elektroden am Rand der Haut verwendet, um Ströme anzulegen und Spannungen zu messen, die uns Informationen über den Zustand der Haut geben. Anhand dieser Spannungen versuchen wir abzuleiten, wo sich die Haut befindet berührt oder beschädigt wurde.“

Anstatt die von Elektroden gesammelten Daten mithilfe einer konventionellen, auf neuronalen Netzwerken basierenden Architektur zu analysieren, wie dies bei den meisten bestehenden künstlichen Häuten der Fall ist, erstellten Hardman und seine Kollegen Verformungskarten für ihr Hydrogel-basiertes System unter Verwendung einer kleinen Menge realer Daten. In ersten Bewertungen stellten sie fest, dass ihr System ein künstliches Hautsystem auf der Grundlage herkömmlicher neuronaler Netze deutlich übertraf und eine durchschnittliche Auflösung von 12,1 mm über einer kreisförmigen Haut von 170 mm erreichte.

„Die Kombination von Elektroimpedanz-Tomographie-Technologien mit funktionellen sensorisierten Häuten führt zu einer Reihe von Problemen, die mit rein mathematischen Ansätzen sehr schwer zu lösen sind“, sagte Hardman. „Wir haben eine Möglichkeit vorgestellt, dies erheblich zu vereinfachen, indem wir eine kleine Menge realer Daten in unsere Berechnungen einbezogen haben. Aus diesem Grund können wir damit beginnen, Anwendungen anzugehen, die mit einem analytischen Ansatz undenkbar wären, indem wir insgesamt weiche taktile Sensoren hinzufügen Oberfläche unserer Roboter.“

Bisher haben Hardman und seine Kollegen das Potenzial ihrer hydrogelbasierten Haut für drei wichtige Anwendungen in der realen Welt getestet, nämlich die Erkennung oder Lokalisierung von Schäden, die Überwachung der Umgebung und die Erkennung verschiedener taktiler Reize. Ihr System schnitt bei all diesen drei Aufgaben gut ab, was darauf hindeutet, dass es verwendet werden könnte, um die Fähigkeiten von Soft-Robotersystemen zu verbessern, die zur Bewältigung verschiedener Missionen entwickelt wurden.

„Wir arbeiten derzeit daran, die Form und Größe der Häute zu verbessern, damit sie zum Erfassen viel komplexerer Reize verwendet werden können“, fügte Hardman hinzu. „Wenn die Haut zum Beispiel auf eine Roboterhand aufgetragen wird, möchten wir, dass sie nicht nur den Ort und die Kraft der Berührung der Haut erkennt, sondern auch die Position jedes Fingers und ob die Hand beschädigt wurde.“

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