Kunsthuid die 'pijn' voelt, kan leiden tot nieuwe generatie aanraakgevoelige robots

Een elektronische huid die kan leren van het voelen van 'pijn' kan helpen bij het creëren van een nieuwe generatie slimme robots met een menselijke gevoeligheid: dat is waar een team van ingenieurs aan de Universiteit van Glasgow aan heeft gewerkt. De groep ontwikkelde kunstmatige huid met een nieuw type verwerkingssysteem op basis van 'synaptische transistors’, die de neurale paden van de hersenen nabootsen om te leren. Een robothand die de slimme huid gebruikt, toont volgens de Britse universiteit een opmerkelijk vermogen om te leren reageren op externe prikkels.

In een artikel dat onlangs in het tijdschrift Science Robotics is gepubliceerd, beschrijven de onderzoekers hoe ze hun prototype computationele elektronische huid (e-skin) hebben gebouwd en hoe het de huidige stand van de techniek op het gebied van aanraakgevoelige robotica verbetert.

Wetenschappers werken al tientallen jaren aan een kunstmatige huid met aanraakgevoeligheid. Een veel onderzochte methode is het verspreiden van een reeks contact- of druksensoren over het oppervlak van de elektronische huid, zodat deze kan detecteren wanneer deze in contact komt met een object.

Geïnspireerd op perifere zenuwstelsel

Gegevens van de sensoren worden vervolgens naar een computer gestuurd om te worden verwerkt en geïnterpreteerd. Die sensoren produceren doorgaans een grote hoeveelheid data die enige tijd nodig hebben om correct te worden verwerkt en te worden beantwoord, waardoor vertragingen ontstaan die de potentiële effectiviteit van de huid bij taken in de echte wereld zouden kunnen verminderen. De nieuwe vorm van elektronische huid van het Glasgow-team is echter geïnspireerd op hoe het menselijke perifere zenuwstelsel signalen van de huid interpreteert om latentie en energieverbruik te elimineren.

Zodra de menselijke huid een input ontvangt, begint het perifere zenuwstelsel het te verwerken op het contactpunt, waardoor het wordt gereduceerd tot alleen de vitale informatie voordat het naar de hersenen wordt gestuurd. Die vermindering van sensorische gegevens maakt een efficiënt gebruik van communicatiekanalen mogelijk die nodig zijn om de gegevens naar de hersenen te sturen, die vervolgens vrijwel onmiddellijk reageren zodat het lichaam adequaat kan reageren.

Om een elektronische huid te bouwen die in staat is tot een rekenkundig efficiënte, synaps-achtige respons, hebben de onderzoekers een raster van 168 synaptische transistors geprint, gemaakt van zinkoxide nanodraden rechtstreeks op het oppervlak van een flexibel plastic oppervlak. Vervolgens verbonden ze de synaptische transistor met de huidsensor die aanwezig was over de palm van een volledig gelede, mensvormige robothand.

Nabootsen sensorische neuronen

Wanneer de sensor wordt aangeraakt, registreert deze een verandering in zijn elektrische weerstand - een kleine verandering komt overeen met een lichte aanraking en een hardere aanraking zorgt voor een grotere verandering in weerstand. Deze input is ontworpen om de manier waarop sensorische neuronen in het menselijk lichaam werken na te bootsen.

Het team gebruikte de variërende output van die spanningspiek om de huid de juiste reacties op gesimuleerde pijn te leren, waardoor de robothand zou reageren. Via een ingangsspanningsdrempel om een reactie te veroorzaken, kon het team ervoor zorgen dat de robothand terugdeinst van een scherpe prik in het midden van zijn handpalm, zoals een mens dat doet.

De ontwikkeling van de elektronische huid is de nieuwste doorbraak in flexibele, rekbare geprinte oppervlakken van de Bendable Electronics and Sensing Technologies (BEST) Group van de University of Glasgow, geleid door professor Ravinder Dahiya.

“Wat we door dit proces hebben kunnen creëren, is een elektronische huid die in staat is tot gedistribueerd leren op hardware-niveau, die geen berichten heen en weer hoeft te sturen naar een centrale processor voordat actie wordt ondernomen. In plaats daarvan versnelt het het proces van reageren op aanraking aanzienlijk door de hoeveelheid benodigde rekenkracht te verminderen. Wij geloven dat dit een echte stap voorwaarts is in ons werk in de richting van het creëren van grootschalige neuromorfische geprinte elektronische huid die in staat is om adequaat te reageren op stimuli."