科学者はロボットに人間に近い触覚を与える人工指先を開発

ロボットは車を持ち上げたり、手術を手伝ったりするようにプログラムできますが、卵など、これまで扱ったことのない物体を持ち上げることになると、惨めに失敗してしまうことがよくあります。現在、エンジニアたちはこの制限を克服する人工指先を考案しました。この進歩により、機械は人間の指先と同じように表面の質感を感知できるようになります。

ロンドン大学ユニバーシティ・カレッジの触覚研究者マンダヤム・スリニバサン氏は、研究者らは「自然触覚と人工触覚の領域を近づけている...これはロボットの触覚を向上させるために必要な一歩だ」と語った。彼はこの仕事には関わっていなかったと伝えられている。

エンジニアたちは長い間、人間と同じくらい器用なロボットを作ろうと努めてきた。一つの方法は、人工神経を装着することです。しかし、「現在のロボットの触覚能力は、一般的に人間の触覚能力よりはるかに劣っている」とスリニバサン氏は言う。

そこで、ブリストル大学の研究者が2009年に人工指先を設計しようとしたとき、彼らは人間の皮膚を参考にしました。彼らの最初の指先は手作業で組み立てられており、ソーダ缶ほどの大きさでした。 2018年までに、彼らは3Dプリントに切り替えました。これにより、指先とそのすべての構成要素を大人の足の親指と同じサイズにすることができ、人間の皮膚の多層構造に近い一連の層をより簡単に作成できるようになりました。最近、科学者たちは指先にニューラルネットワークを追加し、これを「TacTip」と名付けました。これらのニューラル ネットワークは、ロボットが感知したものを素早く処理し、それに応じて反応するのに役立ちます。まるで本物の指のようです。

私たちの指先では、皮膚が物体に触れると神経終末の層が変形し、何が起こっているかを脳に伝えます。これらの神経は、物を落とさないようにするために「速い」信号を送り、物体の形状を伝えるために「遅い」信号を送ります。

TacTip の同等の信号は、ゴム表面の下の針のような突起の配列から発信され、表面に触れると動きます。アレイの針はブラシの毛のようで、硬いですが曲げることができます。この配列の下には、ピンがいつ、どのように動くかを検出するカメラなどが設置されています。ピンの曲がり具合によって低速信号が生成され、曲がりの速さによって高速信号が生成されます。ニューラル ネットワークはこれらの信号を、握力を強めたり、指先の角度を調整したりするなどの指先の動きに変換します。

「私たちの触覚の多くは、皮膚の機械的構造によって形作られています」と、触覚の神経基盤を研究しているシカゴ大学の神経科学者、スリマン・ベンスマイア氏は言う。「この方法はまさにその問題に取り組んでいるのです。」

新しい研究では、ブリストル大学のエンジニア、ネイサン・レポラ氏と同僚らが、研究者が人間の触覚を評価するのと同じ方法で人工先端をテストした。研究者たちは、さまざまな高さと密度の溝や隆起があるコーデュロイのような素材に指先が触れたときのカメラの出力を測定した。人工指先は隙間や隆起を検出できただけでなく、その出力は、同じテストを受けた人間の指先の神経信号パターンと非常によく一致したと、研究チームは本日、Journal of the Royal Society Interfaceで報告している。

しかし、人工指先は本物ほど敏感ではありません。レポラ氏は、人間は鉛筆の芯ほどの狭い隙間でも検知できるが、TacTip が検知するにはその 2 倍の幅が必要だと指摘する。しかし、彼と彼の同僚がより薄い外面を開発すれば、改善が見られるだろうと彼は考えている。

2 番目のプロジェクトでは、Lepora 氏のチームは TacTip にピンとマイクを追加しました。マイクは、指が表面を通過するときに振動を感知する皮膚の奥深くにある別の神経終末を模倣します。これらの神経終末は、表面の粗さを感知する能力を高めると考えられています。

研究者らが強化された指先で13種類の布地を区別する能力をテストしたときも、マイクは同じ結果を示した。同様に、マイクとカメラからの信号は、このテストを行っている人間の指によって記録された信号を模倣しているとレポラ氏は指摘した。

これらの研究は、コチ大学でウェアラブルセンサーの研究をしている機械エンジニア、レヴェント・ベーカー氏に感銘を与えた。 「ロボットハンドは（今では）人間の指と同様の圧力や質感情報を感知できる。」

「これは本当に興味深いアプローチで、これまで誰も試したことがないと思います」とベンスマイア氏は付け加えた。「とてもクールです」。しかし、人工指先と天然指先からの信号はまったく同じではなかった。本物の皮膚からの信号の方がはるかに強力だからだ。適度に肌っぽいです。 ”

それでも、ベンスマイア氏は、そのような指先がロボットが物体を検出し、拾い上げ、操作するのに役立つ可能性があると考えている。彼は、このような変形可能なゴム製の指先により、バイオニックハンドは、硬い金属製の指やつま先を備えた現在の装置よりも優位に立つ、あるいは有利になるはずだと指摘している。

今日のロボットは、特定の自動車部品を取り付けるために正確にプログラムする必要があり、ハンドプロテクションと同様に、ペンや歯ブラシなどの硬い物体をつかむのが困難です。レポラ氏は、TacTip のような指先があれば、ロボットや義肢が変形することなくさまざまな形や大きさの物体を扱えるようになると指摘している。しかし、どの程度まで小型化できるかは不明だとベンスマイア氏は指摘した。

レポラ氏はTacTipの縮小について楽観的だ。カメラやマイクはますます小型化しており、3D プリント技術の向上により、より薄い層が可能になっています。彼とベンスマイアはともに、このような小型のデバイスはより細かい質感を感知し、より器用になるため、人間の「感覚」に近づくことができると考えている。

コーネル大学の材料科学者ロバート・シェパード氏は、この研究は基礎レベルでは人間の触覚がどのように機能するかを実証するのに役立っていると語った。レポラ氏と彼の同僚は、皮膚の神経終末が感覚をどのように変換して、指の間から滑り落ちたボールを掴んだり、折り鶴を潰さずに拾ったりできるのかを本質的に解明したと、彼は言う。