Robot nie musi myśleć. Maszyna wykształciła ludzki odruch

Dotykasz czujnika z lewej strony, a robot skręca w lewo. Naciskasz od góry, a jego miękki element ugina się albo zwiększa siłę chwytu. Pomiędzy dotykiem i ruchem nie ma procesora, przewodów, programu ani algorytmu analizującego dane. Jest tylko elastyczna struktura, kilka komór wypełnionych cieczą oraz prawa mechaniki.

Naukowcy z National University of Singapore zbudowali miękki sensor ME-SOFS, który zamienia nacisk bezpośrednio w ruch cieczy napędzającej element wykonawczy. W tradycyjnym robocie podobna reakcja wymaga czujnika, układu przetwarzającego sygnał, kontrolera oraz zasilanego siłownika. Tutaj całym sterownikiem staje się odpowiednio zaprojektowany kawałek materiału.

W typowej maszynie droga od zetknięcia z przedmiotem do reakcji jest dosyć długa. Czujnik wykrywa nacisk i zamienia go na sygnał elektryczny. Elektronika wzmacnia oraz filtruje pomiar. Procesor interpretuje wynik, uruchamia odpowiedni fragment programu i wysyła polecenie do silnika albo pompy. Każdy etap zajmuje czas, zużywa energię i wymaga kolejnego komponentu, który może się zepsuć.

ME-SOFS wszystko to pomija. Sensor ma postać miękkiej, porowatej struktury wydrukowanej w 3D. W jego środku znajduje się elastyczny filar otoczony 5 komorami z cieczą. Cztery odpowiadają za nacisk działający z różnych stron, a piąta reaguje na siłę przyłożoną w osi pionowej.

Kiedy coś naciska na filar, ten przechyla się i zgniata odpowiednią komorę. Wypchnięta ciecz przepływa elastyczną rurką do siłownika znajdującego się w innym miejscu. Fizyczne dotknięcie sensora staje się więc przepływem, a przepływ wywołuje ruch. Nie trzeba więc mierzyć kąta nacisku, przeliczać go na liczby i wybierać komendy z programu. O tym, która część robota się poruszy, decyduje położenie komór oraz przebieg kanałów z cieczą. Logika została zapisana nie w kodzie, lecz w geometrii urządzenia.

ME-SOFS nie rozpoznaje przedmiotów, nie planuje trasy i nie ma pojęcia, co właściwie robi. Nie odróżni jajka od kubka ani dłoni człowieka. Ale potrafi reagować jak na odruch. Zresztą my też tak działamy. Kiedy dotkniesz czegoś bardzo gorącego, ręka cofa się niemal natychmiast. Nie dlatego, że zdążyłeś to przemyśleć, tylko dlatego, że ciało ma swoje szybkie skróty – lokalne odruchy, które działają jeszcze zanim mózg się włączy.

W tym sensorze podobną rolę pełni sam materiał. Nacisk z konkretnej strony automatycznie kieruje ciecz w odpowiednią stronę i wywołuje przypisany ruch. Nie ma tu wyboru ani decyzji, bo reakcja jest wpisana w konstrukcję. Dotyk po prostu uruchamia to, co zostało wcześniej zaprojektowane.

To właśnie przykład tzw. inteligencji ucieleśnionej. Część zachowania maszyny nie wynika z obliczeń, tylko z tego, jak jest zbudowana – z jej kształtu, sprężystości i sposobu, w jaki elementy są ze sobą połączone. Zresztą natura robi tak od zawsze. Skrzydło ptaka samo pomaga utrzymać się w powietrzu, bez liczenia każdej cząsteczki powietrza. Ścięgna oddają energię przy każdym kroku. Liście reagują na światło i wilgoć dzięki swojej budowie, a nie dlatego, że coś przeliczają.

Brak baterii i zewnętrznego zasilania nie oznacza, że jest tu jakieś perpetuum mobile. Energia po prostu przychodzi razem z dotykiem. Naciskasz sensor i w tym samym momencie wykonujesz pracę. Filar się ugina, komora się zapada, ciecz zostaje wypchnięta dalej. To fizyczne przepchnięcie czegoś z punktu A do punktu B. Jak ściskanie gumowej gruszki: naciskasz tu, coś rusza się tam.

Układ może tę energię przekierować, zmienić jej kierunek albo zamienić niewielki ruch na większą siłę w innym miejscu. Jednak nie wyczaruje jej z powietrza. Jeśli nic nie naciska, nic się nie dzieje.

ME-SOFS będzie niezastąpiony w sytuacjach, gdzie liczy się natychmiastowa, lokalna reakcja. Delikatne dociśnięcie chwytaka, szybkie ugięcie miękkiego elementu, przekazanie nacisku na powierzchnię dotykową albo odpalenie małego mechanizmu z cieczą – wszystko dzieje się tu i teraz, bez czekania na zgodę procesora.

Nie, to nie jest koniec silników, baterii i całej reszty ciężkiej artylerii. Duże roboty dalej będą ich potrzebować. Jednak ten sensor wycina z całego systemu te najprostsze, najbardziej oczywiste reakcje i załatwia je na miejscu. Procesor nie musi analizować każdego dotyku jak filozoficznego problemu. Może zająć się tym, co naprawdę trudne, a ciało robota ogarnia resztę samo – szybko, bez ceregieli i bez zbędnej elektroniki.

Chyba najważniejszą zdolnością ME-SOFS jest rozdzielanie sił działających w kilku osiach. Zwykły miękki czujnik może powiedzieć, że został naciśnięty. Nowa konstrukcja potrafi dodatkowo określić, z której strony przyszedł nacisk. Gdy filar przechyla się w lewo, ściska inną komorę niż przy ruchu w prawo. Siła działająca pionowo uruchamia kolejny kanał. Dzięki temu jeden element może reagować osobno na siły w trzech wymiarach.

Czułość da się dostosować bez zmiany elektroniki, ponieważ żadnej elektroniki w podstawowym układzie po prostu nie ma. Konstruktor modyfikuje projekt do druku 3D: średnicę otworów, grubość pochyłych ścian oraz ich kąt. W ten sposób określa, jak duża siła jest potrzebna do odkształcenia sensora i ile cieczy zostanie wypchnięte. Ten sam pomysł można więc przeskalować. Delikatna wersja wykryje subtelny nacisk palca, a większa i sztywniejsza może reagować na znacznie poważniejsze obciążenia.

Badacze nie poprzestali na pojedynczym sensorze. Przygotowali miękką rękawicę wyposażoną w 5 pomniejszonych modułów, po jednym na każdy palec. Każdy sensor miał rozmiar zbliżony do ziarnka zielonego groszku. Całą rękawicę, wraz z elementami czującymi, wydrukowano w jednym procesie z tego samego materiału. Nie trzeba było osobno montować płytek, lutować przewodów ani przyklejać układów elektronicznych do elastycznej powierzchni.

Rękawica rozpoznawała siły powstające podczas chwytania i pozwalała oszacować ciężar trzymanych przedmiotów. Takie rozwiązanie mogłoby kiedyś trafić do protez, rehabilitacji albo systemów uczących roboty ruchów wykonywanych przez człowieka. Jak pisaliśmy w tekście: Słaby punkt robotów namierzony. Wszyscy patrzą na głowę, a chodzi o dłonie, nowoczesne maszyny mają coraz lepsze modele AI, ale nadal brakuje im danych o sile, poślizgu i rzeczywistym kontakcie z przedmiotem. Bez dotyku robot nie wie, czy trzyma obiekt pewnie, czy właśnie zaczyna go zgniatać.

Przeczytaj także:

ME-SOFS podchodzi do problemu odwrotnie. Zamiast budować gęstą sieć elektronicznych receptorów i analizować ogromny strumień danych, pozwala części informacji od razu zamienić się w reakcję mechaniczną.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI