::: reklama@pbprog.kz
::: editor@pbprog.kz
::: webmaster@pbprog.kz
Создана нейроморфная электронная «кожа» с функцией активного восприятия боли и повреждений
Достижения в области робототехники требуют развитого тактильного восприятия, схожего с многогранными сенсорными и защитными функциями человеческой кожи. Современные электронные «кожи» для роботов имеют простую конструкцию и выполняют базовые функции, такие как распознавание давления.
Разработанная исследователями из Городского университета Гонконга нейроморфная роботизированная «кожа» (NRE-skin) имеет иерархическую архитектуру, вдохновленную строением нервной системы, что позволяет ей распознавать прикосновения с высоким разрешением, активно реагировать на боль и травмы с помощью локальных рефлексов, а также быстро восстанавливаться с помощью модульных элементов. Такая конструкция значительно повышает тактильные ощущения, безопасность и интуитивную совместимость человека и робота для создания эмпатичных сервисных роботов.
С функциональной точки зрения кожа человека состоит в основном из четырех слоев: рогового слоя, эпидермиса, дермы и подкожной клетчатки. В этих слоях находится сложная сенсорная система, в которой мультимеханорецепторы в эпидермисе и дерме вместе с иерархическими нейронными рецептивными полями образуют единую информационную сеть. Эта сеть позволяет человеку воспринимать интенсивность и локализацию внешних раздражителей, которые можно разделить на базовые и сложные категории. Основные стимулы, такие как боль или легкое прикосновение, быстро обрабатываются спинным мозгом с помощью рефлекторных дуг — автоматических реакций, для которых не требуется участие головного мозга. Более сложные ощущения, такие как степень воздействия стимула, его точное положение или обнаружение повреждений, передаются в головной мозг для более глубокой обработки.
.
Разработанная NRE-кожа состоит из четырех слоев: инкапсулирующего, сенсорного, проводящего и подложки. Инкапсулирующий слой имитирует роговой слой кожи для защиты, а подложка имитирует подкожную ткань, служа буфером при силовых воздействиях. Сенсорный и проводящий слои имитируют механорецепторы и нервные окончания человека. Сенсорный слой реагирует на внешние раздражители и состоит из двух основных компонентов. Первый — это микроструктурированный датчик давления на основе полидиметилсилоксана (ПДМС) с поли(3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонатом (PEDOT: PSS) в качестве проводящего слоя. Второй — это электрод, который соединяет датчик давления с нижележащим слоем схемы. Под сенсорным слоем расположен слой микросхем, который преобразует давление в последовательность импульсов, которые обрабатываются с помощью искусственной сети рецептивных полей — системы, имитирующей биологическую сенсорную обработку, — и поступают в основной центр обработки. Слой схемы в основе NRE-skin разделен на пять областей: болевой центр (для оценки болевого сигнала), сигнатурный центр (для определения участка кожи, с которого поступает сигнал), интегратор сигналов (для объединения выходных сигналов), генератор импульсов (для создания последовательности импульсов) и разъем (для подключения к внешним участкам кожи) . Благодаря гибкости всех компонентов интегрированная система покрытия обладает превосходной эластичностью. Покрытие NRE может выдерживать значительные деформации, например скручивание до 38° и радиус изгиба до 3,2 см. Анализ методом конечных элементов подтверждает, что при таких условиях все детали остаются в допустимых пределах, а значит, NRE-оболочка может прилегать к изогнутой поверхности роботов.
Ранее созданные традиционные электронные «кожи» потребляют много энергии и генерируют огромное количество необработанных данных. В новой «коже» NRE каждый датчик давления напрямую генерирует электрические импульсы, частота которых увеличивается по мере роста давления. Другими словами, при легком прикосновении генерируются низкочастотные импульсы, а при сильном — высокочастотные, подобно тому, как наши нервы реагируют на более сильные раздражители.
Многоуровневая архитектура «кожи» обрабатывает эти импульсы локально. Сеть модуляции встраивает информацию о местоположении в каждый импульс, интегратор сигналов собирает все данные, а специальный «болевой центр» отслеживает давление. Если давление превышает пороговое значение или остается достаточно высоким в течение длительного времени, срабатывает болевой сигнал, и робот может отдернуть конечность без участия центральной системы управления или человека.
NRE-skin остается в неактивном состоянии, если к ней ничего не прикасается и она ничего не ощущает. В результате в режиме ожидания она потребляет около 2,5 мВт, а при сильном контакте — всего 5,6 мВт, в то время как современные электронные скин-устройства потребляют около 118 мВт постоянно. Кроме того, снижается вычислительная нагрузка, поскольку обрабатываются только импульсные события, а не потоковая информация с датчика.