Tendemos a dar por sentado nuestro sentido del tacto en los entornos cotidianos, pero es vital para nuestra capacidad de interactuar con nuestro entorno. Imagina llegar a la nevera para tomar un huevo para el desayuno. A medida que tus dedos tocan su cáscara, puedes decir que el huevo está frío, que su cáscara es suave y con qué firmeza debes agarrarlo para evitar aplastarlo. Estas son habilidades con las que los robots, incluso aquellos controlados directamente por humanos, pueden tener problemas.
Una nueva piel artificial desarrollada en Caltech ahora puede dar a los robots la capacidad de detectar la temperatura, la presión e incluso los productos químicos tóxicos con un simple toque.
Esta nueva tecnología de piel es parte de una plataforma robótica que integra la piel artificial con un brazo robótico y sensores que se adhieren a la piel humana. Un sistema de aprendizaje automático que interactúa con los dos permite que el usuario humano controle el robot con sus propios movimientos mientras recibe retroalimentación a través de su propia piel. La plataforma de detección robótica multimodal, denominada M-Bot, se desarrolló en el laboratorio de Wei Gao , profesor asistente de ingeniería médica de Caltech, investigador del Instituto de Investigación Médica Heritage y becario Ronald y JoAnne Willens. Su objetivo es brindar a los humanos un control más preciso sobre los robots y, al mismo tiempo, proteger a los humanos de posibles peligros.
“Los robots modernos están desempeñando un papel cada vez más importante en la seguridad, la agricultura y la fabricación”, dice Gao. “¿Podemos darles a estos robots un sentido del tacto y un sentido de la temperatura? ¿Podemos también hacerles sentir sustancias químicas como explosivos y agentes nerviosos o riesgos biológicos como bacterias y virus infecciosos? Estamos trabajando en esto”.
La piel
Una comparación lado a lado de una mano humana y una mano robótica revela diferencias evidentes. Mientras que los dedos humanos son suaves, blandos y carnosos, los dedos robóticos tienden a ser duros, metálicos, pegajosos o gomosos. La piel imprimible desarrollada en el laboratorio de Gao es un hidrogel gelatinoso y hace que las yemas de los dedos de los robots se parezcan mucho más a las nuestras.
Incrustados dentro de ese hidrogel están los sensores que le dan a la piel artificial su capacidad para detectar el mundo que la rodea. Estos sensores se imprimen literalmente sobre la piel de la misma manera que una impresora de inyección de tinta aplica texto a una hoja de papel.
“La impresión de inyección de tinta tiene este cartucho que expulsa gotas, y esas gotas son una solución de tinta, pero podrían ser una solución que desarrollemos en lugar de la tinta normal”, dice Gao. “Hemos desarrollado una variedad de tintas de nanomateriales para nosotros mismos”.
Después de imprimir un andamiaje de cables de nanopartículas de plata, los investigadores pueden imprimir capas de sensores de escala micrométrica que pueden diseñarse para detectar una variedad de cosas. El hecho de que los sensores estén impresos hace que sea más rápido y fácil para el laboratorio diseñar y probar nuevos tipos de sensores.
“Cuando queremos detectar un compuesto dado, nos aseguramos de que el sensor tenga una respuesta electroquímica alta a ese compuesto”, dice Gao. “Grafeno impregnado con platino
detecta el explosivo TNT muy rápida y selectivamente. Para un virus, estamos imprimiendo nanotubos de carbono, que tienen un área de superficie muy alta, y adjuntándoles anticuerpos para el virus. Todo esto es producible en masa y escalable”.
Un sistema interactivo
El equipo de Gao ha acoplado esta piel a un sistema interactivo que permite que un usuario humano controle el robot a través de sus propios movimientos musculares mientras recibe información sobre la propia piel del usuario desde la piel del robot.
Esta parte del sistema utiliza piezas impresas adicionales, en este caso, electrodos fijados al antebrazo del operador humano. Los electrodos son similares a los que se usan para medir las ondas cerebrales, pero en su lugar están colocados para detectar las señales eléctricas generadas por los músculos del operador cuando mueven la mano y la muñeca. Un simple movimiento de la muñeca humana le dice al brazo robótico que se mueva hacia arriba o hacia abajo, y apretar o abrir los dedos humanos provoca una acción similar por parte de la mano robótica.
“Utilizamos el aprendizaje automático para convertir esas señales en gestos para el control robótico”, dice Gao. “Entrenamos al modelo en seis gestos diferentes”.
El sistema también proporciona retroalimentación a la piel humana en forma de una estimulación eléctrica muy suave. Volviendo al ejemplo de recoger un huevo, si el operador agarrara el huevo con demasiada fuerza con la mano robótica y estuviera en peligro de aplastar su cáscara, el sistema alertaría al operador a través de lo que Gao describe como “un pequeño hormigueo” para la piel del operador.
Gao espera que el sistema encuentre aplicaciones en todo, desde la agricultura hasta la seguridad y la protección del medio ambiente, permitiendo a los operadores de robots “sentir” cuánto pesticida se está aplicando a un campo de cultivo, si una mochila sospechosa dejada en un aeropuerto tiene rastros de explosivos. en él, o la ubicación de una fuente de contaminación en un río. Primero, sin embargo, quiere hacer algunas mejoras.
“Creo que hemos mostrado una prueba de concepto”, dice. “Pero queremos mejorar la estabilidad de esta piel robótica para que dure más. Mediante la optimización de nuevas tintas y nuevos materiales, esperamos que pueda usarse para diferentes tipos de detecciones dirigidas. Queremos ponerlo en robots más potentes y hacer ellos más inteligentes, más inteligentes”.
El artículo que describe la investigación, titulado “Interfaz humano-máquina blanda totalmente impresa para la detección fisicoquímica robótica”, aparece en la edición del 1 de junio de Science Robotics . Los coautores son los estudiantes graduados de ingeniería médica Jiahong Li, Samuel A. Solomon, Jihong Min, Changhao Xu y Jiaobing Tu; becario de investigación postdoctoral asociado en ingeniería médica Yu Song; el ex investigador postdoctoral asociado You Yu; y el estudiante visitante Wei Guo.
Los fondos para la investigación fueron proporcionados por los Institutos Nacionales de Salud, la Oficina de Investigación Naval, el Instituto de Investigación Traslacional para la Salud Espacial de la NASA, el Programa de Investigación de Enfermedades Relacionadas con el Tabaco y el Fondo Carver Mead New Adventures en Caltech.