Onderzoekers hebben een grote uitdaging in de bionische robotica overwonnen en een sensor ontwikkeld die, met behulp van kunstmatige intelligentie, over braille kan glijden en braille nauwkeurig kan lezen, met een snelheid die tweemaal zo hoog is als die van mensen. De technologie zou kunnen worden toegepast op robothanden en protheses, waardoor de gevoeligheid van de vingertop vergelijkbaar is met die van mensen.
Menselijke vingertoppen zijn ongelooflijk gevoelig. Ze kunnen details overbrengen van objecten zo klein als de helft van de breedte van een mensenhaar, subtiele verschillen in de oppervlaktetextuur onderscheiden en de juiste hoeveelheid kracht uitoefenen om een ei of een zak hondenvoer van 9 kilo te pakken zonder uit te glijden.
Naarmate geavanceerde elektronische skins steeds meer biomimetische kenmerken beginnen te bevatten, zullen dynamische mensachtige interacties zoals swipen steeds belangrijker worden. Ondanks de vooruitgang op het gebied van zachte robotica is het reproduceren van de gevoeligheid van menselijke vingertoppen in robots echter moeilijk gebleken.
Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge in Groot-Brittannië hebben een stap dichter bij de realiteit gezet met een aanpak die op visie gebaseerde tactiele sensoren combineert met kunstmatige intelligentie om kenmerken met hoge resolutie en snelheid te detecteren.
"De zachtheid van menselijke vingertoppen is een van de redenen waarom we dingen met de juiste hoeveelheid druk kunnen vastgrijpen", zegt Parth Potdar, hoofdauteur van het onderzoek. "Zachtheid is een nuttige eigenschap voor robotica, maar je hebt ook veel sensorinformatie nodig, en het is lastig om beide tegelijk te hebben, vooral als je te maken hebt met flexibele of vervormbare oppervlakken."
Onderzoekers hebben zichzelf een uitdagende taak gesteld: een robotachtige ‘vingertop’-sensor ontwikkelen die als een menselijke vinger langs een vingertop kan glijden en daardoor braille kan lezen. Dit is een ideale test. De sensor moet zeer gevoelig zijn omdat elke stip die een letter vertegenwoordigt, heel dicht bij elkaar zit.
David Hardman, co-auteur van de studie, zei: "Er zijn momenteel robotachtige braillelezers, maar die kunnen slechts één letter tegelijk lezen, wat anders is dan de manier waarop mensen lezen. De manier waarop bestaande robotachtige braillelezers werken is statisch: ze raken een letterpatroon aan, lezen het, trekken het van het oppervlak omhoog, verplaatsen het naar het volgende letterpatroon, enzovoort. Wat we willen is iets dat realistischer en efficiënter is."
Daarom creëerden de onderzoekers een robotsensor met camera's binnen handbereik. Gezien het feit dat de glijdende werking van de sensor bewegingsonscherpte kan veroorzaken, gebruikten de onderzoekers een machine learning-algoritme dat was getraind op een reeks echte statische beelden die synthetisch waren vervaagd om het beeld te "vervagen". Zodra de bewegingsonscherpte is verwijderd, kan het computervisiemodel elke letter detecteren en classificeren.
"Dit is een probleem voor robotici omdat het verwijderen van bewegingsonscherpte veel beeldverwerking vereist, wat tijdrovend en arbeidsintensief is", aldus Potdar.
Door het gebruik van getrainde machine learning-algoritmen kan de robotsensor braille lezen met een snelheid van 315 woorden per minuut met een nauwkeurigheid van 87,5%, twee keer zo snel als een menselijke lezer en met een vergelijkbare nauwkeurigheid. De onderzoekers zeggen dat dit veel sneller is dan eerdere studies, en dat de aanpak kan worden geschaald met meer gegevens en complexere modelarchitecturen, waardoor betere prestaties bij hogere snelheden mogelijk zijn.
"Gezien het feit dat we nepvervaging gebruikten om het algoritme te trainen, was het verrassend nauwkeurig bij het lezen van braille," zei Hardman. "We hebben een goede balans gevonden tussen snelheid en nauwkeurigheid, en dat geldt ook voor menselijke lezers."
Hoewel de sensor niet is ontworpen voor ondersteunende technologie, belooft het vermogen om braille snel en nauwkeurig te lezen veel goeds voor de ontwikkeling van robothanden of protheses met een gevoeligheid die vergelijkbaar is met die van menselijke vingertoppen, zeggen de onderzoekers. Ze hopen hun technologie op te schalen naar de grootte van een mensachtige hand of huid.
"De leessnelheid van braille is een goede manier om de dynamische prestaties van tactiele detectiesystemen te meten, zodat onze bevindingen kunnen worden toegepast op gebieden die verder gaan dan braille, zoals het detecteren van oppervlaktetextuur of slippen bij robotmanipulatie, " zei Potdar.
Onderstaande video, geproduceerd door de Universiteit van Cambridge, laat zien hoe onderzoekers een brailleleessensor ontwikkelden.