Können Roboter Schmerzen empfinden? Haut soll sie menschlicher Berührung näher bringen

Eine revolutionäre Roboterhaut bringt Maschinen näher an die menschliche Berührung heran, da sie Druck, Temperatur und Schmerz erkennen und sogar mehrere Kontaktpunkte gleichzeitig unterscheiden kann.

Diese aus einem flexiblen, kostengünstigen Gelmaterial hergestellte Haut verwandelt die gesamte Oberfläche einer Roboterhand in einen empfindlichen, intelligenten Sensor , im Gegensatz zu herkömmlichen Roboterhäuten, die auf einer Kombination verschiedener Sensoren beruhen.

Darüber hinaus kann es wie ein Handschuh an Roboterhänden angebracht werden, sodass Roboter Informationen über ihre Umgebung auf ähnliche Weise wie Menschen erfassen können, berichtet Cambridge.

Forscher der Universität Cambridge und des University College London (UCL) entwickelten diese flexible, leitfähige Haut, die einfach herzustellen ist und sich in eine Vielzahl komplexer Formen gießen und formen lässt. Diese Technologie erkennt und verarbeitet verschiedene physikalische Signale und ermöglicht Robotern so eine sinnvollere Interaktion mit der physischen Welt.

Anders als andere Roboter-Touch-Lösungen, die typischerweise mit in kleine Bereiche eingebetteten Sensoren arbeiten und unterschiedliche Sensoren zum Erkennen unterschiedlicher Berührungsarten benötigen, ist die von den Forschern aus Cambridge und UCL entwickelte elektronische Haut ein reiner Sensor und kommt damit unserem eigenen Sinnessystem näher: unserer Haut.

Obwohl die Roboterhaut nicht so empfindlich ist wie die eines Menschen, kann sie Signale von mehr als 860.000 winzigen Bahnen im Material erfassen und so verschiedene Arten von Berührung und Druck auf demselben Material erkennen – etwa die Berührung mit dem Finger, eine heiße oder kalte Oberfläche, Schäden durch Schnitte oder Einstiche oder die gleichzeitige Berührung mehrerer Punkte.

Die Forscher kombinierten physikalische Tests und Techniken des maschinellen Lernens, um der Roboterhaut dabei zu helfen, zu „lernen“, welche dieser Bahnen am wichtigsten sind, sodass sie unterschiedliche Kontaktarten effizienter erkennen kann.

Neben möglichen zukünftigen Anwendungen für humanoide Roboter oder menschliche Prothesen , bei denen der Tastsinn eine wichtige Rolle spielt, könnten Roboterhaut laut den Forschern auch in so unterschiedlichen Branchen wie der Automobilindustrie und der Katastrophenhilfe nützlich sein. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Science Robotics veröffentlicht.

Elektronische Häute funktionieren, indem sie physikalische Informationen wie Druck oder Temperatur in elektronische Signale umwandeln. Meist werden für verschiedene Berührungsarten unterschiedliche Sensoren benötigt – einer zur Druckmessung, ein anderer zur Temperaturmessung usw. –, die dann in weiche, flexible Materialien integriert werden. Die Signale dieser Sensoren können sich jedoch gegenseitig stören, und die Materialien können leicht beschädigt werden.

„Verschiedene Sensoren für unterschiedliche Berührungsarten erfordern komplexe Materialien in der Herstellung“, sagte der Hauptautor Dr. David Hardman vom Department of Engineering der Universität Cambridge. „Wir wollten eine Lösung entwickeln, die mehrere Berührungsarten gleichzeitig erkennen kann, aber mit einem einzigen Material.“

„Gleichzeitig brauchen wir etwas Preiswertes und Langlebiges, das für den breiten Einsatz geeignet ist“, erklärte Co-Autor Dr. Thomas George Thuruthel von der UCL.

Ihre Lösung basiert auf einem Sensortyp, der auf verschiedene Berührungen unterschiedlich reagiert. Dieser sogenannte multimodale Sensor erkennt zwar die Ursache jedes einzelnen Signals, doch multimodale Sensormaterialien sind einfacher herzustellen und robuster.

Die Forscher gossen ein weiches, dehnbares und elektrisch leitfähiges gelatinöses Hydrogel und formten es in die Form einer menschlichen Hand. Sie testeten verschiedene Elektrodenkonfigurationen, um herauszufinden, welche die nützlichsten Informationen über verschiedene Berührungsarten lieferten. Mit nur 32 Elektroden am Handgelenk konnten sie dank der winzigen Bahnen im leitfähigen Material mehr als 1,7 Millionen Datenpunkte der gesamten Hand erfassen.

Anschließend wurde die Haut mit verschiedenen Berührungsarten getestet: Die Forscher setzten sie einer Heißluftpistole aus, drückten mit ihren Fingern und einem Roboterarm darauf, berührten sie sanft mit den Fingern und durchstochen sie sogar mit einem Skalpell. Das Team nutzte die bei diesen Tests gesammelten Daten, um ein maschinelles Lernmodell zu trainieren, das es der Hand ermöglicht, die Bedeutung verschiedener Berührungsarten zu erkennen .

„Wir können aus diesen Materialien eine riesige Menge an Informationen extrahieren; sie ermöglichen Tausende von Messungen in kürzester Zeit“, sagte Hardman, Postdoktorand im Labor von Professor Fumiya Iida und Co-Autor der Studie. „Sie messen viele verschiedene Elemente gleichzeitig und über eine große Fläche.“

„Wir haben noch nicht das Niveau erreicht, auf dem Roboterhaut mit menschlicher Haut mithalten kann, aber wir glauben, dass sie besser ist als alles, was derzeit verfügbar ist“, sagte Thuruthel. „Unsere Methode ist flexibel und einfacher zu bauen als herkömmliche Sensoren, und wir können sie mithilfe menschlicher Berührung für eine Vielzahl von Aufgaben kalibrieren.“

In der Zukunft hoffen die Forscher, die Haltbarkeit der elektronischen Haut zu verbessern und weitere Tests mit realen Roboteraufgaben durchzuführen.