Inspirándose en el dedo humano, los investigadores del MIT han desarrollado una mano robótica que utiliza sensores táctiles de alta resolución para identificar con precisión un objeto después de agarrarlo solo una vez.
Muchas manos robóticas colocan todos sus poderosos sensores en las yemas de los dedos, por lo que un objeto debe estar en pleno contacto con esas yemas de los dedos para ser identificado, lo que puede tomar múltiples agarres. Otros diseños utilizan sensores de menor resolución distribuidos a lo largo de todo el dedo, pero estos no capturan tantos detalles, por lo que a menudo se requieren múltiples agarres.
En cambio, el equipo del MIT construyó un dedo robótico con un esqueleto rígido encerrado en una capa exterior suave que tiene múltiples sensores de alta resolución incorporados debajo de su «piel» transparente. Los sensores, que utilizan una cámara y LED para recopilar información visual sobre la forma de un objeto, brindan una detección continua a lo largo de toda la longitud del dedo. Cada dedo captura datos ricos en muchas partes de un objeto simultáneamente.
Usando este diseño, los investigadores construyeron una mano robótica de tres dedos que podía identificar objetos después de un solo agarre, con una precisión de alrededor del 85 por ciento. El esqueleto rígido hace que los dedos sean lo suficientemente fuertes como para levantar un objeto pesado, como un taladro, mientras que la piel suave les permite agarrar con seguridad un objeto flexible, como una botella de agua de plástico vacía, sin aplastarlo.
Estos dedos suaves y rígidos podrían ser especialmente útiles en un robot de cuidado en el hogar diseñado para interactuar con una persona mayor. El robot podría levantar un artículo pesado de un estante con la misma mano que usa para ayudar a la persona a bañarse.
«Tener elementos blandos y rígidos es muy importante en cualquier mano, pero también lo es poder realizar una gran detección en un área realmente grande, especialmente si queremos considerar realizar tareas de manipulación muy complicadas como lo que pueden hacer nuestras propias manos. Nuestro objetivo con este trabajo fue combinar todas las cosas que hacen que nuestras manos humanas sean tan buenas en un dedo robótico que puede hacer tareas que otros dedos robóticos no pueden hacer actualmente», dice la estudiante graduada en ingeniería mecánica Sandra Liu, coautora principal de un trabajo de investigación en el dedo robótico.
Liu escribió el artículo con el coautor principal y estudiante de pregrado de ingeniería mecánica Leonardo Zamora Yáñez y su asesor, Edward Adelson, profesor John and Dorothy Wilson de Ciencias de la Visión en el Departamento de Ciencias Cognitivas y del Cerebro y miembro del Departamento de Ciencias Informáticas y Artificiales. Laboratorio de Inteligencia (CSAIL). La investigación se presentará en la Conferencia RoboSoft.
Un dedo inspirado en humanos
El dedo robótico se compone de un endoesqueleto rígido impreso en 3D que se coloca en un molde y se envuelve en una «piel» de silicona transparente. Hacer el dedo en un molde elimina la necesidad de sujetadores o adhesivos para mantener la silicona en su lugar.
Los investigadores diseñaron el molde con una forma curva para que los dedos robóticos estén ligeramente curvados cuando están en reposo, al igual que los dedos humanos.
«La silicona se arruga cuando se dobla, por lo que pensamos que si moldeamos el dedo en esta posición curva, cuando lo curvamos más para agarrar un objeto, no se producirán tantas arrugas. Las arrugas son buenas en algunos aspectos: pueden ayudar a que el dedo se deslice a lo largo de las superficies con mucha suavidad y facilidad, pero no queríamos arrugas que no pudiéramos controlar», dice Liu.
El endoesqueleto de cada dedo contiene un par de sensores táctiles detallados, conocidos como sensores GelSight, incrustados en las secciones superior y media, debajo de la piel transparente. Los sensores se colocan de modo que el alcance de las cámaras se superponga ligeramente, lo que proporciona al dedo una detección continua en toda su longitud.
El sensor GelSight, basado en tecnología pionera en el grupo Adelson, está compuesto por una cámara y tres LED de colores. Cuando el dedo agarra un objeto, la cámara captura imágenes mientras los LED de colores iluminan la piel desde el interior.
Usando los contornos iluminados que aparecen en la piel suave, un algoritmo realiza cálculos hacia atrás para mapear los contornos en la superficie del objeto agarrado. Los investigadores entrenaron un modelo de aprendizaje automático para identificar objetos utilizando datos de imágenes de cámara sin procesar.
Mientras perfeccionaban el proceso de fabricación de los dedos, los investigadores se encontraron con varios obstáculos.
Primero, la silicona tiende a desprenderse de las superficies con el tiempo. Liu y sus colaboradores descubrieron que podían limitar esta descamación agregando pequeñas curvas a lo largo de las bisagras entre las articulaciones del endoesqueleto.
Cuando el dedo se dobla, la flexión de la silicona se distribuye a lo largo de las pequeñas curvas, lo que reduce la tensión y evita que se pele. También agregaron pliegues a las articulaciones para que la silicona no se aplaste tanto cuando se dobla el dedo.
Mientras solucionaban los problemas de su diseño, los investigadores se dieron cuenta de que las arrugas en la silicona evitan que la piel se rasgue.
«La utilidad de las arrugas fue un descubrimiento accidental de nuestra parte. Cuando las sintetizamos en la superficie, descubrimos que en realidad hacían que el dedo fuera más duradero de lo que esperábamos», dice.
Conseguir un buen agarre
Una vez que perfeccionaron el diseño, los investigadores construyeron una mano robótica usando dos dedos dispuestos en un patrón en Y con un tercer dedo como pulgar opuesto. La mano captura seis imágenes cuando agarra un objeto (dos de cada dedo) y envía esas imágenes a un algoritmo de aprendizaje automático que las usa como entradas para identificar el objeto.
Debido a que la mano tiene sensores táctiles que cubren todos sus dedos, puede recopilar datos táctiles completos con un solo agarre.
«Aunque tenemos muchos sensores en los dedos, tal vez agregar una palma con sensores ayudaría a que las distinciones táctiles sean aún mejores», dice Liu.
En el futuro, los investigadores también quieren mejorar el hardware para reducir la cantidad de desgaste de la silicona con el tiempo y agregar más accionamiento al pulgar para que pueda realizar una variedad más amplia de tareas.
Este trabajo fue apoyado, en parte, por el Instituto de Investigación de Toyota, la Oficina de Investigación Naval y el proyecto SINTEF BIFROST.
