Robot dostał trąbę słonia. To lepsze niż dłonie

Robot może mieć świetny algorytm, kamery, sztuczną inteligencję i precyzyjny napęd, ale jeśli nie potrafi czegoś dobrze chwycić, cała magia szybko się kończy. Kubek się ślizga, owoc się gniecie, karta ucieka spod palców, a miękki przedmiot zmienia kształt w momencie kontaktu.

Właśnie dlatego naukowcy coraz częściej patrzą nie na ludzką dłoń, ale na… trąbę słonia. Bo słoń potrafi tym samym narządem przenieść ciężki konar, podnieść źdźbło trawy i delikatnie operować jedzeniem. EleTac, nowy miękki chwytak opracowany przez badaczy z Japonii, Wielkiej Brytanii i USA, próbuje przenieść część tej sztuczki do robotyki.

EleTac nie jest wielką robotyczną trąbą zamontowaną na humanoidzie. To miękki chwytak inspirowany końcówką trąby słonia, czyli miejscem, gdzie natura łączy elastyczność, siłę i czucie dotyku w wyjątkowo kompaktowej formie.

Urządzenie ma dwa miękkie, pneumatycznie napędzane palce. Zamiast sztywnych metalowych szczęk dostajemy elementy, które wyginają się, dopasowują do kształtu przedmiotu i zamykają wokół niego łagodniej niż klasyczny chwytak przemysłowy. Powietrze działa tu jak mięsień: wypełnia komory, zmienia kształt struktury i powoduje ruch.

To podejście jest typowe dla robotyki miękkiej, ale EleTac dodaje do niego dotyk, bo samo miękkie ciało nie wystarczy. Robot musi jeszcze wiedzieć, że dotknął obiektu, gdzie go dotknął, jak mocno naciska i w jakiej pozycji znajdują się jego własne palce.

Jak pisaliśmy w tekście: Roboty dostają ludzkie dłonie. Toż to inżynieryjny koszmar, chwytanie jest jednym z największych problemów współczesnej robotyki. Maszyna może wyglądać jak człowiek, ale dopiero manipulacja przedmiotami pokazuje, czy naprawdę jest użyteczna.

Najciekawszy element EleTac nie znajduje się na zewnątrz. To wewnętrzna kamera typu fisheye, która obserwuje, jak miękki materiał odkształca się podczas kontaktu z obiektem. Zamiast upychać wiele czujników nacisku w całej powierzchni chwytaka, badacze pozwalają kamerze patrzeć na deformacje od środka.

Potem do gry wchodzą algorytmy uczenia maszynowego. Na podstawie obrazu z kamery system szacuje kilka rzeczy naraz: miejsce kontaktu, siłę nacisku, kształt trzymanego przedmiotu i położenie własnych palców. To ostatnie nazywa się propriocepcją. U człowieka propriocepcja pozwala nam wiedzieć, gdzie znajduje się ręka, nawet gdy na nią nie patrzymy. W robocie oznacza to zdolność orientowania się we własnym kształcie i ruchu.

To bardzo sprytne rozwiązanie, bo miękkie roboty mają z czujnikami duży problem. Ich materiały ciągle się zginają, rozciągają i deformują. Klasyczny sensor może ograniczać elastyczność, szybko się zużywać albo mierzyć tylko mały fragment powierzchni. Kamera wewnątrz pozwala patrzeć na cały proces bardziej całościowo. Nie oznacza to, że EleTac czuje jak człowiek, ale robi coś, co dla robotów jest bardzo trudne: zamienia odkształcenie miękkiego ciała w informację o świecie.

Najlepsze testy takich chwytaków nie polegają na podnoszeniu idealnego klocka. Ten potrafi złapać prawie każdy robot. Prawdziwe problemy zaczynają się przy rzeczach miękkich, śliskich, cienkich, kruchych albo nieregularnych.

EleTac testowano na owocach, tofu, tkaninie, narzędziach, śrubach i kartach do gry. To dobry zestaw, bo każdy z tych obiektów wymaga czegoś innego. Owoc łatwo zgnieść, tofu jeszcze łatwiej zniszczyć, tkanina nie ma stałego kształtu, karta jest cienka i trudna do podważenia, narzędzie wymaga stabilnego chwytu, a śruba precyzji.

Badacze pokazali też dwa scenariusze bardziej przypominające prawdziwą robotyczną pracę. W pierwszym chwytak miał znaleźć i wyciągnąć długopis zakopany w piasku, korzystając z informacji dotykowej. W drugim miał ścierać marker z zakrzywionej powierzchni naczynia przy użyciu gąbki, dostosowując nacisk do kontaktu z powierzchnią.

To bardzo istotne, bo roboty często świetnie radzą sobie wtedy, gdy widzą obiekt. Gorzej, gdy obiekt jest częściowo ukryty, gdy kamera zewnętrzna nie pomaga, albo gdy trzeba reagować na opór i nacisk. W takich sytuacjach dotyk staje się po prostu warunkiem prawidłowego działania.

Klasyczny robot przemysłowy działa świetnie w przewidywalnym świecie. Ma sztywne ramię, znany tor ruchu, powtarzalny chwytak i często pracuje z identycznymi obiektami. W fabryce samochodów to ma sens. W kuchni, szpitalu, magazynie z różnorodnymi produktami albo domu seniora już znacznie mniej.

Tam przedmioty są bardzo różne, ludzie poruszają się nieprzewidywalnie, a robot musi być bezpieczny w kontakcie. Sztywna metalowa szczęka jest precyzyjna, ale może być zbyt brutalna. Miękki chwytak może dopasować się do przedmiotu i ograniczyć ryzyko uszkodzeń.

Słoń jest tu więc świetną inspiracją, bo jego trąba nie jest zwykłym, prostym chwytakiem. To jednocześnie manipulator, narząd czucia i narzędzie kontaktu ze światem. Potrafi obejmować obiekt całym fragmentem powierzchni, a nie tylko ściskać go w jednym punkcie. Potrafi działać siłowo i delikatnie.

Jak pisaliśmy w tekście: Drukarka 3D zszywa człowieka. Brzmi jak horror, ale to przełom, inspiracja trąbą słonia pojawia się już nawet w medycznych mikrourządzeniach. To nie przypadek. Trąba jest jednym z najlepszych biologicznych przykładów elastycznej manipulacji w ciasnym, trudnym i delikatnym środowisku.

Roboty świetnie nauczyły się patrzeć. Kamery, lidary, sieci neuronowe i rozpoznawanie obrazów zrobiły ogromny postęp. Problem w tym, że wzrok nie wystarcza, gdy zaczyna się kontakt. Człowiek, chwytając kubek, nie liczy świadomie siły nacisku. Czuje, czy kubek się ślizga, czy jest ciężki, czy powierzchnia jest mokra i czy trzeba poprawić chwyt.

Robot bez dotyku często po prostu działa jak ktoś w grubych rękawicach na rękach. Widzi przedmiot, ale nie wie, co dokładnie dzieje się w miejscu kontaktu. Może chwycić za mocno, za słabo albo w złym miejscu. A jeśli przedmiot zacznie się przesuwać, reakcja przyjdzie za późno.

Właśnie dlatego badacze próbują dawać robotom skórę, czujniki nacisku, czujniki poślizgu, tensometry, światłowody, kamery wewnętrzne i algorytmy interpretujące deformacje. EleTac zamiast budować skomplikowaną, drogą i delikatną sztuczną skórę, wykorzystuje obrazowanie wewnętrzne. To może być ważne nie tylko dla robotów przemysłowych. Dotyk jest kluczowy również w robotach usługowych, opiece medycznej, protezach, rehabilitacji i robotach domowych.

Jak pisaliśmy w tekście: Polska bioniczna ręka. Niezwykłe osiągnięcie naukowców z Politechniki Wrocławskiej, precyzyjny chwyt i manipulacja przedmiotami są równie ważne w protezach, co w robotach. Różnica polega na tym, kto jest operatorem dłoni. Problem pozostaje podobny, bo trzeba połączyć mechanikę, sterowanie i informację zwrotną.

Twórcy EleTac podkreślają, że chwytak ma być kompaktowy, lekki i relatywnie tani. W robotyce ma to bardzo duże znaczenie. Najbardziej imponujący prototyp nie zmieni świata, jeśli jest zbyt drogi, delikatny i trudny do integracji.

EleTac ma działać jako końcówka robocza, którą można podłączyć do istniejących platform robotycznych i humanoidów. To bardzo ważne, bo rynek nie potrzebuje wyłącznie pełnych robotów budowanych od zera. Często większy sens ma wymiana samego narzędzia na końcu ramienia. Jeśli robot ma już napęd, kontroler, kamery i oprogramowanie, lepszy chwytak może natychmiast zwiększyć jego użyteczność.

Przeczytaj także:

Takie rozwiązanie nie robi takiego wrażenia jak humanoid tańczący na scenie, ale jest dużo bliższe temu, co faktycznie ma sens. Zamiast wielkich pokazów, zmiana może zacząć się od czegoś tak prostego jak lepszy chwytak, który pozwoli istniejącym robotom po prostu pewniej i bezpieczniej łapać rzeczy. Jednym z największych wąskich gardeł humanoidów są właśnie manipulatory.

*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI