Искусственная нервная система даст осязание роботам и протезам

Новая искусственная электрическая нервная система ACES с использованием искусственного интеллекта обеспечит роботам и протезам осязание, в тысячу раз превышающее по скорости нервную систему человека.

Электрическое осязание

Группе ученых с кафедры материаловедения и инженерии при Национальном университете Сингапура (National University of Singapore, NUS) удалось создать искусственную нервную систему, способную обеспечить роботов полноценным аналогом человеческого чувства осязания. Искусственная нервная система, получившая рабочее название «Асинхронная кодированная электронная кожа» (Asynchronous Coded Electronic Skin, ACES), по словам исследователей, обеспечивает передачу ощущения прикосновения на уровне «как минимум, эквивалента кожи человека, и даже лучше».

«Люди используют осязание для практически любой повседневной задачи, будь то утренний кофе или рукопожатие, без него мы даже теряем равновесие при ходьбе. Роботам точно так же необходимо иметь осязание – для лучшего взаимодействия с людьми и объектами», – отметил доцент Б. Ти, который работает над технологиями электронной кожи в общей сложности более десяти лет.

Ключевой особенностью новой «электронной кожи» ACES является возможность выдержать значительные повреждения без потери сверхвысокой чувствительности. Кроме того, искусственная кожа ACES также может сочетаться с любыми дополнительными подкожными сенсорами.

Распределенная система осязания

По словам руководителя проекта доцента Бенджамина Ти (Benjamin Tee), научная разработка заняла у команды исследователей полтора года, а в качестве основы для создания электронной искусственной кожи ученые использовали сенсорную модель нервной системы человека.
По аналогии с нервными окончаниями человека, передающими сигналы нервной системе человека, электронная нервная система ACES улавливает изменения состояния искусственной электронной кожи с помощью сети сенсоров, объединенных в единую электрическую схему.

Традиционные разработки «электронной кожи» оснащены взаимосвязанными проводными коммуникациями, которые значительно снижают ее чувствительность. К тому же, при повреждении небольшого числа сенсоров такого материала из строя может выйти целый фрагмент «электронной кожи». Это значительно затрудняет общую масштабируемость системы.

В отличие от таких решений, каждый датчик в системе ACES подключен к общему электрическому проводнику и работает независимо. Пока существует соединение между датчиком и проводником, кожа продолжает функционировать, делая ее менее уязвимой для повреждений. Таким образом, общая работоспособность системы ACES с распределенной сигнальной схемой почти не снижается после локальных повреждений и очень хорошо масштабируется.

«Осязательная функция нервной системы человека чрезвычайно эффективна, она работает постоянно, и мы воспринимаем это как должное. Она также весьма устойчива к повреждениям: так, например, наше осязание почти не затрагивается даже в случае пореза. Добившись имитации биологической системы человека и улучшив ее, мы можем добиться огромных успехов в области робототехники, где преимущественно применяется электронная кожа» – отметил доцент Бенджамин Ти, научный руководитель проекта ACES.

Но главным технологическим прорывом стала скорость реагирования искусственной кожи ACES. По данным разработчиков, она может обнаружить прикосновения в 1000 раз быстрее, чем нервная система человека. Кроме того, система ACES способна дифференцировать физический контакт между различными датчиками менее чем за 60 наносекунд. Кожа также может определять форму, текстуру и твердость объектов всего за 10 миллисекунд. Это самая высокая скорость, которую когда-либо удалось добиться разработчикам искусственной электронной кожи.

На финальном этапе разработки исследователи объединили систему ACES с прозрачным водостойким самовосстанавливающимся сенсорным слоем кожи, специально разработанным в лаборатории проекта. В итоге получилась электронная кожа, способная восстанавливаться самостоятельно – по аналогии с человеческой кожей.

Перспективные области внедрения

ACES легко объединяется с любым типом сенсорных слоев – например, датчиками для измерения температуры и влажности. Топология системы ACES обладает высокой масштабируемостью, что позволяет ей сохранять высокую чувствительность и скорость отклика даже при значительном увеличении количества датчиков. Так, по данным разработчиков, нейромиметическая архитектура ACES позволяет одновременно передавать информацию с температурных и осязательных датчиков, сохраняя исключительно низкие задержки считывания даже при размерах массива более 10 000 датчиков.

Масштабируемость ACES критически важна там, где необходимо покрытие относительно крупных площадей поверхности роботов и протезных устройств высокопроизводительными электронными сенсорными оболочками.

Сочетание таких характеристик с прозрачным, самовосстанавливающимся и водостойким сенсорным слоем кожи особенно востребовано для автоматизированных систем с функциями искусственного интеллекта – таких как промышленные и бытовые роботы, протезы и различные интерфейсы класса «человек-машина».

Список других потенциальных областей применения системы ACES включает разработку интеллектуальных роботов для выполнения задач аварийного восстановления в труднодоступных местах, или – напротив, на замену человеческому персоналу для выполнения обычных рутинных операций – таких как упаковка товаров на складах.

Индустрия роботов с ИИ на переломе

Спрос на новые разработки в области интеллектуальных роботов с элементами компьютерного зрения и осязания на базе технологий искусственного интеллекта в последние годы растет стремительно. Огромный потенциал внедрения сулит рынок так называемых «коботов», или «совместных роботов» (collaborative robot), предназначенных для безопасной работы совместно с людьми. В ближайшее время, согласно прогнозу Grand View Research, этот рынок будет расти на 44,5% ежегодно вплоть до 2025 года.

Объем рынка коботов в 2018 году уже достиг $649,1 млн, а к 2025 году составит $8,5 млрд. Быстрее всего растет спрос на совместных роботов для интеллектуальной сборки деталей и электроники, где только механического воздействия недостаточно.

Наиболее перспективным направлением развития технологий интеллектуальной робототехники считается «компьютерное зрение» с применением ИИ. Десятки научных лабораторий заняты улучшением алгоритмов визуального распознавания. И в некоторых случаях исследователи успешно совмещают интеллектуальные визуальное и тактильное компьютерное восприятие.