Роботы постоянно совершенствуют зрение и движения, но осязание по‑прежнему остается их «ахиллесовой пятой». Исследователи представили миниатюрный тактильный датчик, который способен наделить машины чувством, максимально приближенным к человеческому.Разработка Кембриджского университета описана в журнале Nature Materials. Она основана на композитах с жидким металлом и графене — двумерной форме углерода. Эта «кожа» позволяет роботам не просто определять силу нажатия на предмет, но и распознавать направление приложенного усилия, фиксировать начало проскальзывания объекта и даже оценивать шероховатость поверхности. При этом датчик настолько компактен, что его разрешение не уступает пространственной чувствительности подушечек пальцев человека.В коже человека есть механорецепторы нескольких типов, которые одновременно воспринимают давление, усилие, вибрацию и текстуру. Воспроизвести такое многомерное осязание в искусственных системах — нетривиальная задача, особенно если устройство должно быть одновременно миниатюрным и достаточно надежным для практического применения.«Большинство существующих тактильных датчиков либо слишком громоздкие, либо хрупкие, либо сложны в производстве, либо неспособны четко различать нормальные и тангенциальные силы. Это было главным препятствием на пути к созданию по-настоящему ловких роботизированных манипуляторов», — объясняет профессор Тауфик Хасан из Кембриджского центра графена, руководитель исследования.Чтобы решить эту проблему, был разработан мягкий и гибкий композит на силиконовой основе, сочетающий листы графена, деформируемые микрокапли металла и частицы никеля.Вдохновившись микроструктурами человеческой кожи, исследователи придали материалу форму крошечных пирамидок (некоторые — всего 200 мкм в поперечнике). Благодаря такой геометрии напряжение концентрируется на вершинах, что позволяет датчику улавливать сверхмалые усилия, сохраняя при этом широкий измерительный диапазон.Результатом стал тактильный сенсор, способный заметить даже песчинку. По сравнению с существующими гибкими аналогами, новый датчик выигрывает по размерам и порогу чувствительности примерно на порядок.Другая важная особенность — умение различать касательные и нормальные нагрузки. Это свойство позволяет детектировать момент, когда предмет начинает выскальзывать из захвата. Анализируя сигналы с четырех электродов, расположенных под каждой пирамидкой, датчик в реальном времени математически восстанавливает полный трехмерный вектор силы.Для проверки возможностей датчики интегрировали в роботизированные захваты. Манипуляторы смогли взять хрупкие предметы, например тонкие бумажные трубочки, не деформируя их. В отличие от обычных датчиков силы, которым нужна предварительная информация о свойствах объекта, новая система адаптируется на лету за счет регистрации проскальзывания.На еще более миниатюрном уровне микроскопические матрицы датчиков способны определять массу, форму и плотность материала крошечных металлических сфер, анализируя лишь величину и направление приложенной силы. Это открывает перспективы для малоинвазивной хирургии или микроробототехники, где обычные датчики просто не помещаются.Кроме того, технология может найти применение в протезировании. Современные бионические протезы все чаще используют тактильную обратную связь, чтобы дать пользователю ощущение прикосновения. Высокочувствительные миниатюрные трехмерные датчики силы способны обеспечить более естественный контакт с предметами, улучшая контроль, безопасность и уверенность человека.«Наш подход доказывает, что для высокоточного трехмерного осязания не нужны громоздкие механические конструкции или сложная оптика. Комбинируя "умные" материалы и структуры, вдохновленные кожей, мы добиваемся характеристик, удивительно близких к человеческому осязанию», — говорит профессор Юнь Гуолинь из Университета науки и технологий Китая, ведущий автор исследования.Исследователи рассчитывают уменьшить датчики еще сильнее — возможно, до 50 мкм, что приблизится к плотности расположения механорецепторов в коже человека. Будущие версии могут также включать измерение температуры и влажности, сделав еще один шаг к созданию полноценной мультимодальной искусственной кожи.По мере того как роботы покидают стены заводских цехов и приходят в дома, больницы и непредсказуемую реальность, подобные прорывы в области осязания особенно важны: машины должны не только видеть и действовать, но и по-настоящему чувствовать.
