Guanto elettronico che dà sensibilità tattile ai robot

Questa tecnologia permetterà in futuro di conferire ai robot quel tipo di capacità di rilevamento tattile che si trovano nella pelle umana

I ricercatori di Stanford hanno sviluppato un guanto elettronico che conferisce alle mani di un robot di toccare delicatamente un lampone senza schiacciarlo

In un recente articolo pubblicato su Science Robotics,(1) la dottoressa Zhenan Bao(2) e il suo team hanno dimostrato che i sensori funzionano abbastanza bene da consentire a una mano di un robot di toccare una bacca delicata e gestire una palla da ping-pong senza schiacciarli.

La dottoressa Zhenan Bao spiega: “questa tecnologia ci permetterà in futuro di conferire ai robot quel tipo di capacità di rilevamento che si trova nella pelle umana. I sensori nella punta delle dita del guanto misurano simultaneamente l'intensità e la direzione della pressione, due qualità essenziali per raggiungere la destrezza manuale.

I ricercatori devono ancora perfezionare la tecnologia per controllare automaticamente questi sensori con l'obiettivo di conferire a un robot, che indossa il guanto tecnologico, la destrezza nel tenere un uovo tra il pollice e l'indice senza romperlo o lasciarlo scivolare.”

L'elettronica che imita la vita

Il guanto elettronico imita il modo in cui gli strati della pelle umana lavorano insieme per dare alle nostre mani la loro straordinaria sensibilità.

Il nostro strato esterno di pelle è pieno di sensori per rilevare pressione, calore e altri stimoli. Le nostre dita e i nostri palmi sono particolarmente ricchi di sensori tattili. Questi sensori funzionano in congiunzione con un sottostrato di pelle chiamato strato spinoso,(3) una superficie irregolare composta da protuberanze microscopiche che, se osservate al microscopio sono simili a 'colline' e 'valli'. Nel momento in cui il nostro dito tocca un oggetto, lo strato esterno della pelle si avvicina allo strato spinoso. Un leggero tocco viene percepito dai sensori tattili. Una pressione più intensa spinge la pelle esterna verso il basso strato spinoso, provocando sensazioni tattili più intense.

Misurare l'intensità della pressione è solo una parte di ciò che lo strato spinoso consente. Questo sottostrato accidentato aiuta anche a rivelare la direzione della pressione o della forza di taglio. Un dito che preme a nord, ad esempio, crea forti segnali sulle pendici meridionali di quelle microscopiche 'colline'. Questa capacità di percepire la forza di taglio è parte di ciò che ci aiuta a tenere un uovo delicatamente, ma fermamente tra il pollice e l'indice.

La dottoressa Clementine M Boutry(4) e lo studente del master Marc Negre hanno guidato lo sviluppo dei sensori elettronici che imitano questo meccanismo umano. Ogni sensore sulla punta del dito del guanto robotico è costituito da tre strati flessibili che lavorano in concerto. Gli strati superiore e inferiore sono elettricamente attivi. I ricercatori hanno posato una griglia di linee elettriche su ciascuna delle due superfici opposte e hanno ruotato queste righe perpendicolarmente l'una all'altra per creare una densa serie di piccoli pixel di rilevamento. Hanno anche reso accidentato lo strato inferiore imitando così lo strato spinoso.

Nei test è emerso che l'isolante in gomma nel mezzo manteneva separati gli strati superiore e inferiore degli elettrodi. Ma quella separazione risultava critica perché gli elettrodi, che sono vicini senza toccare, possono immagazzinare energia elettrica. Mentre il dito robotizzato premeva verso il basso, stringendo gli elettrodi superiori più vicini al fondo, l'energia accumulata aumentava. Le microscopiche 'colline' e 'valli' dello strato inferiore hanno fornito un modo per mappare l'intensità e la direzione della pressione a specifici punti sulle griglie perpendicolari, proprio come la pelle umana.

Per testare la loro tecnologia, i ricercatori hanno posizionato i loro sensori a tre strati sulle dita di un guanto di gomma inserendolo poi su una mano robotica. Alla fine l'obiettivo è stato quello di incorporare i sensori direttamente in una guaina, simile alla pelle umana, da porre come un guanto alle mani robotiche. In un esperimento, il team ha programmato la mano robotica guantata per toccare delicatamente una bacca senza danneggiarla. Hanno anche programmato la mano guantata per sollevare e spostare una palla da ping-pong senza schiacciarla, usando il sensore per rilevare la forza di taglio appropriata e afferrare la palla senza farla cadere.

La dottoressa Zhenan Bao ha detto che, con una corretta programmazione, una mano robotica, che indossa l'attuale guanto sensibile al tatto, potrebbe eseguire un compito ripetitivo come sollevare le uova da un nastro trasportatore e metterle in cartoni. La tecnologia potrebbe anche avere applicazioni nella chirurgia assistita da robot, dove è essenziale un preciso controllo tattile. Ma l'obiettivo finale di Zhenan Bao è quello di sviluppare una versione avanzata del guanto che applica automaticamente la giusta quantità di forza per gestire un oggetto in sicurezza senza programmazione preventiva.

“Possiamo programmare una mano robotica per toccare un lampone senza schiacciarlo, ma siamo molto lontani dall'essere in grado di toccare e rilevare che è lampone e consentire al robot di raccoglierlo”, conclude la dottoressa Zhenan Bao.

Riferimenti:

(1) A hierarchically patterned, bioinspired e-skin able to detect the direction of applied pressure for robotics

(2) Zhenan Bao

(3) Strato spinoso

(4) Clementine M Boutry

Descrizione foto: il sensore mostrato in questa foto è abbastanza sensibile da permettere al dito di tenere un mirtillo senza schiacciarlo. In futuro tutte le dita e il palmo avranno sensori elettronici simili che imitano i sensori biologici nella nostra pelle. (Credito immagine: per gentile concessione di Bao Lab).

Autore: Edoardo Capuano

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