O revestimento robótico sensível de pele eletrônica aplica ultrassom e IA enquanto inspira a arte japonesa de Kirigami.
A nova pesquisa propõe um novo revestimento de sensor ou “pele eletrônica” para robôs que podem ajudar as máquinas que trabalham em contato próximo com os seres humanos a reduzir o perigo de colisões.
Os robôs estão se tornando um fator cada vez mais significativo em nossas vidas, tanto na indústria quanto em nossas casas. Isso significa que um número crescente de nós está compartilhando espaços apertados com máquinas em movimento. Assim, essa colaboração mais profunda entre humano e máquina requer melhorias nas medidas de segurança que não afetam a eficiência desses robôs.
Em ambientes em que humanos e máquinas colaboram de perto, os robôs precisam ser capazes de perceber colisões e julgar a intensidade desses confrontos, assim como os humanos. Fazemos isso sentindo dor com a pele e tomando medidas de proteção para evitar acidentes mais graves, ajustando rapidamente o corpo. A equipe aplicou a mesma lógica ao criar uma pele eletrônica para os robôs que lhes permite imitar essas ações que limitam danos, detalhando sua criação em um novo artigo publicado no diário Sistemas Inteligentes Avançados.
“A demanda por robôs e dispositivos robóticos está aumentando rapidamente na vida moderna, onde a colaboração humana-robô está se tornando mais importante. No entanto, o trabalho conjunto de robôs humano pode causar colisões acidentais, especialmente para grandes movimentos em um espaço de trabalho relativamente estreito. Um desafio crítico é como garantir a segurança e impedir que essas colisões causassem danos e dos seres humanos”, disse a equipe dos membros da equipe. “Os e-skins são sistemas de sensores que podem ser instalados no corpo de um robô. Como a pele humana, eles podem detectar imediatamente colisões quando ocorrer contato, estimar a localização e a energia do impacto e orientar o robô a tomar medidas em tempo real para minimizar os danos da colisão.”
Uma pele eletrônica que é um corte acima
Fan Shi explicou que os principais e-skins atuais dependem da tecnologia eletrônica flexível. Um grande problema com essa abordagem é que os materiais são caros e os processos de fabricação ainda não estão maduros. Além disso, para cobrir uma grande área de detecção, garantindo uma resolução satisfatória, os e-skins atuais exigem um grande número de sensores. Isso aumenta ainda mais o custo dos e-skins, dificultando a adoção em larga escala.
Para desenvolver uma nova pele eletrônica que evita essas limitações, a equipe se inspirou em Kirigami, uma forma de arte de corte de papel japonês que envolve o corte e o papel dobrável. Kirigami transforma uma folha plana de papel em um projeto tridimensional, geralmente com uma estrutura intrincada e elaborada.
“Desenvolvemos uma nova pele eletrônica baseada em uma fusão de detecção ultrassônica, detecção e aprendizado de máquina, incorporando o conceito de design de Kirigami”, disse Fan Shi. “Ao usar sensores industriais maduros, projetos de placas de circuito e a vantagem de uma ampla cobertura de ondas guiadas ultrassônicas, essa tecnologia reduz significativamente os custos e deve ser implantada no mercado de massa”.
Embora os aspectos de detecção ultrassônica e aprendizado de máquina do e-Skin criem um método de detecção inovador, o design de Kirigami permitiu à equipe estender uma pequena placa de circuito flexível em uma área maior.
“Além disso, utilizamos sinais ultrassônicos guiados por características estruturais dos robôs, o que permite 100% de cobertura com muito poucos sensores”, explicou Fan Shi. “Os algoritmos de aprendizado de máquina são utilizados para interpretar os sinais de detecção para a localização de colisão. A integração dos métodos acima leva à resposta em tempo real, detecção de colisão altamente precisa, cobertura de sensor ampla e reduz bastante os custos de produção”.
Isso manteve o custo da pele eletrônica abaixo de US $ 5, que a equipe espera que ajude a facilitar sua adoção em larga escala na indústria de robótica. Obviamente, ser econômico só é vantajoso se o sistema for eficaz em seu papel.
“Construímos uma configuração de teste capaz de aplicar colisões precisas e, em seguida, usando essa configuração, coletamos milhares de amostras de dados de colisão aleatórios para treinar uma rede neural”, disse Fan Shi. “Comparamos então os resultados calculados da colisão calculada da rede neural com as colisões precisas aplicadas pelo equipamento para avaliar a precisão da pele eletrônica”.
Além disso, a equipe instalou sua pele eletrônica em um braço robótico comercial para avaliar seu desempenho geral quando integrado a um sistema de robô completo.
“A precisão da detecção de colisão e a velocidade de resposta desta pele eletrônica excederam as expectativas iniciais”, disse Fan Shi. ”Após o treinamento de dados, essa pele de E-Skin alcançou a precisão da detecção de colisão em nível de milímetro e os tempos de resposta de apenas dezenas de milissegundos.
A equipe agora planeja otimizar ainda mais o design da pele eletrônica e aumentar o software correspondente para melhorar o tempo e a precisão da resposta à detecção de colisão. Além disso, a equipe está buscando parceiros do setor para colaborar com pesquisas e desenvolvimento direcionados para aplicações específicas de sua pele eletrônica.
“Acreditamos que a implantação em larga escala pode ser alcançada em 2 a 3 anos, desde que encontremos os usuários certos”, concluiu Fan Shi.
Referência: R. Jiao., Z. Wang., R. Wang., Et al., Sensor de contato de grande área baseado em aprendizado profundo para interação humana-robot segura usando a conformidade de pele eletrônica robótica habilitada para estrutura kirigamiSistemas Inteligentes Avançados (2025). Doi: 10.1002/aisy.202400903
Crédito da imagem do recurso: UNSPLASH
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