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Inspirándose en el dedo humano, los investigadores del MIT han desarrollado una mano robótica que utiliza sensores táctiles de alta resolución para identificar con precisión un objeto después de agarrarlo solo una vez.
Muchas manos robóticas colocan todos sus poderosos sensores en las yemas de los dedos, por lo que un objeto debe estar en pleno contacto con esos dedos para ser identificado, lo que puede tomar varias tomas. Otros diseños utilizan sensores de menor resolución repartidos por todo el dedo, pero estos no capturan tantos detalles, por lo que a menudo se requieren múltiples agarres.
En cambio, el equipo del MIT construyó un dedo robótico con un esqueleto rígido encerrado en una capa exterior flexible que tiene varios sensores de alta resolución incrustados debajo de su «piel» transparente. Los sensores, que utilizan una cámara y LED para recopilar información visual sobre la forma de un objeto, brindan una detección continua a lo largo de todo el dedo. Cada dedo captura datos ricos en muchas partes de un objeto simultáneamente.
Usando este diseño, los investigadores construyeron una mano robótica de tres dedos capaz de identificar objetos después de un solo agarre, con una precisión de alrededor del 85%. El esqueleto rígido hace que los dedos sean lo suficientemente fuertes como para agarrar un objeto pesado, como un taladro, mientras que la piel suave les permite agarrar con seguridad un objeto flexible, como una botella de agua de plástico vacía, sin aplastarlo.
Estos dedos flexibles y rígidos podrían ser particularmente útiles en un robot de atención domiciliaria diseñado para interactuar con una persona mayor. El robot podría levantar un objeto pesado de un estante con la misma mano que usa para ayudar a la persona a bañarse.
“Tener elementos tanto blandos como duros es muy importante en cualquier mano, pero ser capaz de realizar una detección excelente en un área muy grande es igualmente importante, especialmente si queremos considerar realizar tareas de manipulación muy complicadas como lo que pueden hacer nuestras propias manos. Nuestro objetivo con este trabajo era combinar todas las cosas que hacen que nuestras manos humanas sean tan buenas en un dedo robótico que pueda realizar tareas que otros dedos robóticos actualmente no pueden hacer”, dice Sandra Liu, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica, coautora principal de un trabajo de investigación sobre el dedo robótico.
Liu escribió el artículo con el coautor principal y estudiante de pregrado de ingeniería mecánica Leonardo Zamora Yáñez y su asesor, Edward Adelson, profesor John y Dorothy Wilson de Ciencias de la Visión en el Departamento de Ciencias del Cerebro y Cognitivas y Fellow en ciencias de la computación y ciencias artificiales. Laboratorio de Inteligencia (CSAIL). La investigación se presentará en la conferencia de RoboSoft.
Un dedo de inspiración humana.
El dedo robótico está compuesto por un endoesqueleto rígido impreso en 3D que se coloca en un molde y se encierra en una «piel» de silicona transparente. Hacer el dedo en un molde elimina la necesidad de ataduras o adhesivos para mantener la silicona en su lugar.
Los investigadores diseñaron el molde con una forma curva para que los dedos robóticos estén ligeramente curvados en reposo, al igual que los dedos humanos.
“La silicona se arruga cuando se dobla, así que pensamos que si tuviéramos el dedo moldeado en esa posición curva, cuando lo doblas más para agarrar un objeto, no provocarías tantas arrugas. Las arrugas son buenas en algunos aspectos: pueden ayudar a que el dedo se deslice por las superficies con mucha facilidad y suavidad, pero no queríamos arrugas que no pudiéramos controlar”, dice Liu.
El endoesqueleto de cada dedo contiene un par de sensores táctiles detallados, conocidos como sensores GelSight, incrustados en las secciones superior y media, debajo de la piel transparente. Los sensores se colocan de forma que el alcance de las cámaras se superponga ligeramente, lo que proporciona al dedo una detección continua en toda su longitud.
El sensor GelSight, basado en tecnología pionera en el grupo Adelson, consta de una cámara y tres LED de colores. Cuando el dedo agarra un objeto, la cámara captura imágenes mientras los LED de colores iluminan la piel desde adentro.
Usando los contornos iluminados que aparecen en la piel suave, un algoritmo realiza cálculos hacia atrás para mapear los contornos en la superficie del objeto agarrado. Los investigadores entrenaron un modelo de aprendizaje automático para identificar objetos utilizando datos de imagen sin procesar de la cámara.
Mientras refinaban el proceso de hacer los dedos, los investigadores se encontraron con varios obstáculos.
Primero, la silicona tiende a desprenderse con el tiempo. Liu y sus colaboradores descubrieron que podían limitar esta descamación agregando pequeñas curvas a lo largo de las bisagras entre las articulaciones del endoesqueleto.
A medida que el dedo se dobla, la silicona flexible se distribuye a lo largo de las pequeñas curvas, lo que reduce la tensión y evita que se pele. También agregaron pliegues a las articulaciones para que la silicona no se aplaste tanto cuando se dobla el dedo.
Mientras solucionaban los problemas de su diseño, los investigadores se dieron cuenta de que las arrugas en la silicona evitaban que la piel se rasgara.
“La utilidad de las arrugas fue un descubrimiento casual de nuestra parte. Cuando los sintetizamos en la superficie, descubrimos que en realidad hacían que el dedo fuera más duradero de lo esperado”, dice ella.
tener un buen agarre
Una vez que perfeccionaron el diseño, los investigadores construyeron una mano robótica usando dos dedos dispuestos en forma de Y con un tercer dedo como pulgar opuesto. La mano captura seis imágenes cuando agarra un objeto (dos de cada dedo) y envía esas imágenes a un algoritmo de aprendizaje automático que las usa como entradas para identificar el objeto.
Debido a que la mano tiene detección táctil que cubre todos sus dedos, puede recopilar datos táctiles enriquecidos con un solo toque.
«Aunque tenemos muchos sensores en los dedos, quizás agregar una palma con sensores ayudaría a mejorar aún más las distinciones táctiles», dice Liu.
En el futuro, los investigadores también quieren mejorar el hardware para reducir el desgaste de la silicona con el tiempo y agregar más accionamiento con el pulgar para que pueda realizar una variedad más amplia de tareas.
Este trabajo fue apoyado, en parte, por el Instituto de Investigación de Toyota, la Oficina de Investigación Naval y el proyecto SINTEF BIFROST.
