Un e-skin de alto rendimiento y eficiencia para aplicaciones robóticas.

El robot H-1 cubierto con la piel electrónica desarrollada por los investigadores. Crédito: A. Eckert / TUM.

Investigadores de la Technische Universität München en Alemania han desarrollado recientemente una máscara electrónica que podría ayudar a reproducir el sentido humano del tacto en los robots. Este e-skin, presentado en un artículo publicado en MDPI’s Sensores diario, requiere mucha menos potencia computacional que otras pieles electrónicas existentes y, por lo tanto, se puede aplicar a porciones más grandes del cuerpo de un robot.

«Nuestra principal motivación para desarrollar la piel electrónica proviene de la naturaleza y se centra en la cuestión de cómo los humanos interactuamos con nuestro entorno», dijo a TechXplore Florian Bergner, uno de los investigadores que realizó el estudio. «Si bien los humanos dependen predominantemente de la visión, nuestro sentido del tacto es importante tan pronto como los contactos participan en las interacciones. Creemos que darles a los robots un sentido del tacto puede extender el rango de interacciones entre robots y humanos, haciendo que los robots sean más colaborativos, seguros y eficaz.»

Bergner y otros investigadores dirigidos por el profesor Gordon Cheng han estado desarrollando e-skins durante aproximadamente diez años. Inicialmente, intentaron realizar sistemas de piel electrónica con capacidades de detección multimodales similares a las de la piel humana. En otras palabras, intentaron crear una piel artificial que pudiera sentir un ligero toque, presión, temperatura y vibraciones, mientras distribuía efectivamente su detección en diferentes lugares donde ocurrían interacciones táctiles.

«Los humanos no solo pueden discernir entre diferentes tipos de toques, sino también dónde ocurren», dijo Bergner. «Además de replicar esta capacidad, un sistema de piel electrónica debería soportar el estrés físico de los contactos, ser escalable y apoyar la integración con un mínimo esfuerzo».

El nuevo sistema e-skin desarrollado por Bergner y sus colegas está compuesto por módulos de detección hexagonales. Cada uno de estos módulos tiene aproximadamente el tamaño de una moneda de 2 €. Cuando están conectados, forman piezas flexibles de piel artificial, o parches de piel, que se pueden unir a una variedad de superficies, tanto planas como curvas.

Hasta ahora, se ha descubierto que las pieles electrónicas que se pueden aplicar a grandes superficies presentan limitaciones significativas en términos de la cantidad de información táctil que pueden detectar a la vez. El sistema e-skin desarrollado por Bergner y sus colegas, por otro lado, conserva capacidades de detección avanzadas sin requerir una gran potencia computacional.

«El procesamiento de información tradicional conduce a requisitos inaceptablemente altos de potencia computacional, alto consumo de energía, altas tasas de transferencia de información, pérdida de información y retraso», dijo Bergner. «Por otro lado, los humanos pueden procesar la información táctil reunida por alrededor de 5 millones de receptores de la piel sin ningún gran esfuerzo. En nuestro estudio reciente, nos preguntamos: ¿Cómo puede lograr esto el sentido del tacto humano y cómo podemos explotar los hallazgos en neurociencia para mitigar las limitaciones de nuestros sistemas de piel electrónica?

En lugar de enviar información continuamente al cerebro, los receptores en la piel humana tienden a permanecer inactivos hasta que detectan un cambio en la presión táctil, la temperatura o la vibración. Cuando detectan un cambio, los receptores desencadenan picos que se dirigen al cerebro, viajando a través de las fibras nerviosas.

Como resultado de este proceso, la piel humana solo proporciona al cerebro nueva información relacionada con el tacto. Bergner y sus colegas estudiaron este proceso biológico en profundidad e intentaron replicarlo en su sistema de piel electrónica.

«En nuestro sistema, cada célula de piel artificial monitorea sus sensores para detectar cambios», explicó Bergner. «Cuando detectan cambios lo suficientemente grandes, las células de la piel informan la nueva información a la computadora, cuando no lo hace, entra en modo de suspensión. Esta operación reduce significativamente las demandas de potencia de cálculo».

Un e-skin de alto rendimiento y eficiencia para aplicaciones robóticas.
El robot H-1 cubierto con la piel electrónica desarrollada por los investigadores. Crédito: A. Eckert / TUM.

El sistema e-skin desarrollado por Bergner y sus colegas es escalable, eficiente y flexible. Las pruebas iniciales revelaron que puede manejar el flujo de información relacionada con el tacto en sistemas con una gran área de superficie sin requerir hardware personalizado y usando solo computadoras estándar.

Bergner y sus colegas aplicaron con éxito su piel electrónica en H1, un robot de tamaño humano. Pudieron cubrir todo su cuerpo usando 1260 células de la piel, que incluyen más de 10,000 sensores, algo que nunca antes se había hecho.

«El robot H1 funciona automáticamente con sistemas a bordo solamente», explicó Bergner. «Cubrirlo con células de la piel solo ha sido posible gracias a los beneficios de nuestra piel electrónica impulsada por la novedad, que reduce la carga computacional en aproximadamente un 80%. Una piel electrónica más tradicional habría saturado por completo los sistemas de H1, dando como resultado retrasos y una pérdida continua de información de alrededor del 25% «.

En el futuro, la piel electrónica altamente eficiente podría proporcionar una variedad de robots con capacidades táctiles mejoradas. Además de aumentar la seguridad de las interacciones humano-robot, que podrían ser particularmente valiosas en entornos industriales o de atención médica, las células de piel electrónica podrían usarse para desarrollar nuevas herramientas tecnológicas, como prótesis sensibles al tacto, objetos inteligentes o trajes de detección. .

«Después de resolver el desafío de manejar la información táctil de la piel electrónica de área grande, ahora podemos analizar la reducción del tamaño de las células de la piel y así alcanzar densidades de detección más altas», dijo Bergner. «H1, con su piel electrónica de gran área, ahora podría permitirnos investigar las interacciones humano-robot y el control de todo el cuerpo. Otra dirección de investigación interesante podría ser investigar información táctil impulsada por la novedad para mejorar la percepción y los algoritmos de control».


 

Citación:
Una piel electrónica altamente eficiente y de alto rendimiento para aplicaciones robóticas (2020, 29 de abril)

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