미국 1페니 표면을 손가락 끝으로 쓰다듬는다고 상상해 보세요. 돌출된 문자와 숫자의 능선, Abe Lincoln의 턱수염이 난 옆모습, 그리고 꼬리라면 링컨 기념관의 홈이 파인 기둥을 느낄 수 있습니다. 로봇이 동일한 것을 감지하도록 하는 것은 어려운 작업이며, 종종 여러 공간 위치에서 동시에 압력과 힘에 대한 데이터를 수집해야 합니다. 그러나 이것이 바로 유럽의 과학자 팀이 실시간으로 고해상도 감지를 제공하는 독특하고 다채로운 로봇 피부를 사용하여 수행할 수 있는 일입니다.
“솔직히 말하면, 그들이 우리에게 이것을 보여줬을 때 우리는 그런 줄 알았습니다. 제 프랑스어를 용서해주세요. [expletive] 멋지네요. 완전히 다른 접근 방식이니까요.” 주로 로봇 손에 초점을 맞추고 있는 영국에서 가장 오래 운영되는 로봇 회사인 Shadow Robot의 이사인 Rich Walker는 이렇게 회상했습니다.
런던 퀸메리 대학교, 플로렌스 대학교, 트리에스테 대학교, 트렌토 대학교 출신의 연구팀은 기계적 변형에 반응하여 다양한 색상의 빛을 반사하는 합성 피부를 갖춘 로봇 손가락 끝을 설계했습니다. 손가락 끝은 피부에서 반사된 빛을 읽어 토폴로지, 변형 및 접촉 압력에 대한 지도를 생성합니다. 팀은 이미 센서를 사용하여 인간의 손가락 끝, 동전 및 나뭇잎의 지도를 생성했습니다.
런던 퀸 메리 대학교 페데리코 카르피(Federico Carpi) 연구실의 박사후 연구원인 Giacomo Sasso가 센서에 대한 아이디어를 내놓았습니다. 그는 광학을 연구하던 중 우연히 저널에 게재된 흥미로운 논문을 발견했습니다. 자연. 이는 결국 피부의 반사판을 구성하게 될 “기계 변색 물질”을 설명합니다.
에 설명된 방법에 따라 자연Sasso는 감광성 필름을 5메가와트, 635나노미터(빨간색) 레이저에 7분 동안 노출시켰습니다. 레이저 빔은 필름이 교대 밀도로 중합되도록 하는 간섭 패턴을 생성하여 굴절률이 다른 층을 생성합니다.
이 구조를 브래그 반사경이라고 합니다. 폴리머의 교대 밀도와 굴절률로 인해 특정 파장의 빛이 반사됩니다. 반사경이 물체와 접촉하여 변형되면 그 층이 늘어나서 얇아지고 다른 파장의 빛을 반사합니다.
Sasso가 실험실에서 자료를 다시 만드는 데는 일주일도 채 걸리지 않았습니다. “거기서부터 우리는 이러한 색상 패턴을 우리에게 유용한 것으로 변환할 수 있는 방법을 찾기 시작했습니다.”라고 그는 말합니다. 곧 그들은 물질이 생성하는 색상이 물체의 위상을 감지하는 데 필요한 전부라는 것을 깨달았습니다.
로봇 손가락에는 브래그 반사경이 외부로부터 보호하는 실리콘 층과 내부에 카메라와 LED 조명이 내장된 투명한 손가락 끝 모양의 실리콘 손가락 사이에 끼워져 있습니다.
LED의 빛이 손가락의 투명한 폴리머를 통해 빛납니다. 손가락 끝이 물체에 의해 변형되면 반사경은 변형 수준에 따라 파장을 사용하여 빛을 다시 카메라로 반사합니다. 변형이 가장 적은 경우 빨간색, 변형이 가장 심한 경우 녹색, 파란색으로 이동합니다.
또한 팀은 피부의 민감도를 높이고 카메라가 색상 차이를 더 잘 읽을 수 있도록 조정했습니다. 손가락 끝 바깥층의 실리콘은 검정색으로 색상 대비를 높여 카메라가 색상을 형태로 더 잘 변환할 수 있도록 합니다. 또한 손가락 내부에 있는 카메라의 견고함으로 인해 반사경의 변형이 강화되어 반사되는 파장의 차이가 더 커집니다.
모든 최적화 후에 손가락은 계산 지연 없이 100마이크로미터 해상도를 제공했다고 연구원들은 판단했습니다.
로봇 손가락에 필요한 것
인간의 피부는 물체를 성공적으로 움직이고 조작하기 위해 온도, 질감, 압력, 진동 등 다양한 촉각 정보를 받아들입니다. 그러나 동일한 작업을 수행하도록 로봇을 설계하는 것은 공간적 제약으로 인해 어렵습니다. 로봇 손끝에는 두 가지 이상의 센서 유형을 통합할 공간이 부족한 경우가 많습니다. 그러면 질문은 다음과 같습니다. 어떤 유형의 센서를 사용해야 합니까?
“그리고 그에 대한 대답은…정말 어려운 질문입니다. 아직 아무도 모릅니다”라고 Walker는 말합니다. Carpi 팀의 로봇 손가락은 로봇공학자가 실험할 수 있는 또 다른 옵션을 제시하기 때문에 흥미롭다고 Walker는 말합니다.
Carpi 팀이 촉각 감지를 위해 부드러운 소재를 사용한 최초의 것은 아니지만 생성된 위상 지도에서 깊이와 크기에 대한 정량적 정보를 추출할 수 있다는 점에서 이 기술은 독특합니다. Walker에 따르면 대부분의 센서는 물체 특징의 상대적 크기를 나타내는 위상 지도만 생성할 수 있습니다.
Sasso에게 있어 이 로봇 손가락의 또 다른 주요 장점은 특정 공간 지점에서 힘이나 압력을 측정하는 탁셀이나 픽셀을 사용하는 대신 손가락의 재료에 직접 촉각 감지 기능을 내장한다는 것입니다.
“센서의 핵심 측면은 우리가 본질적으로 [moving toward] “매우 최적화된 전자 부품인 카메라는 재료가 이미 수행하고 있는 모든 것을 디지털 신호로 직접 변환합니다.”라고 그는 말합니다.
Shadow Robot과 달리 시각 기반 감지를 주로 사용하는 Daimon Robotics의 공동 창립자이자 수석 과학자인 Michael Wang은 고유한 이점을 가져올 수 있는 새로운 감지 방법을 탐색하는 것이 유익하다는 Walker의 생각에 동의했습니다. 그러나 그는 또한 부드러운 소재는 내구성 문제에 직면하는 경우가 많으며 손가락이 실제 로봇 손에 통합되면 팀 작업의 중요성이 드러날 것이라고 설명했습니다.
“특히 로봇 손과 관련하여 실용적이고 유용한 이점은 아직 테스트되고 검증되지 않았습니다.”라고 그는 말합니다.
Carpi 팀의 손가락 끝 부분에 있는 실리콘과 같은 소프트 센서의 재료가 반복 사용 후 부식되거나 손상되면 센서에서 측정된 신호가 물체의 지형을 반영하지 못할 수도 있습니다.
“특히 재료 층 자체에 전자 장치가 내장되어 있는 경우 이는 매우 어려운 엔지니어링 문제가 됩니다. 그리고 저는 본 적이 없습니다. [many] 실제로 장기간 사용할 수 있는 우수한 소프트 전자 소재입니다.”라고 Wang은 말합니다.
그러나 브래그 반사경은 물체 자체와 직접 접촉하지 않기 때문에 실리콘 소재의 외부 층이 보호 장벽 역할을 한다고 Sasso는 말합니다. Wang에 따르면, 특정 화학 코팅을 사용하면 실리콘의 내구성을 더욱 높일 수도 있다고 합니다.
팀은 이미 새로운 센서를 잠재적으로 채택할 수 있는 회사들과 이야기를 나눴습니다. 그들은 또한 표면에 편평하지 않은 물체를 감지할 수 있도록 센서를 개선하기를 희망하고 있습니다. Carpi는 이를 통해 조직과 기관의 정확한 접촉 매핑이 필요한 수술 도구에 사용할 수 있다고 말했습니다.
“실제 응용 프로그램으로의 전환을 향한 명확한 경로를 통해 우리가 기대하는 중요한 발전이 있습니다”라고 그는 말합니다.
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