Наука о человеческом прикосновении и почему его так сложно воспроизвести в роботах

Роботы теперь видят мир с легкостью, которая когда-то принадлежала только научной фантастике. Они могут распознавать предметы, ориентироваться в захламленных пространствах и сортировать тысячи посылок в час. Но попросите робота прикоснуться к чему-нибудь осторожно, безопасно или осмысленно, и ограничения появятся мгновенно.

Как исследователь мягкой робототехники Работая над искусственной кожей и сенсорными телами, я обнаружил, что попытка дать роботам чувство осязания заставляет нас осознать, насколько на самом деле удивительно сложным является человеческое прикосновение.

Моя работа началась с, казалось бы, простого вопроса о том, как роботы могут чувствовать мир через свои тела. Разработайте тактильные датчики, полностью покройте ими машину, обработайте сигналы и, на первый взгляд, вы должны получить что-то вроде прикосновения.

За исключением того, что человеческое прикосновение — это не что иное, как простая карта давления. Наша кожа содержит несколько различных типов механорецепторовкаждый из которых настроен на разные стимулы, такие как вибрациярастяжение или текстура. Наше пространственное разрешение удивительно хорошее, и, что особенно важно, прикосновение активно: мы постоянно нажимаем, сдвигаем и корректируем, превращая необработанные ощущения в восприятие посредством динамического взаимодействия.

Инженеры иногда могут имитировать эту версию в масштабе кончика пальца, но воспроизвести ее на всем мягком теле и дать роботу возможность интерпретировать этот богатый сенсорный поток — задача совершенно другого порядка.

Работа над искусственной кожей также быстро открывает еще одно открытие: многое из того, что мы называем «интеллектом», живет не только в мозгу. Биология предлагает поразительные примеры — самый известный из них — осьминог.

У осьминогов большая часть нейронов распределена по конечностям. Исследования их двигательного поведения показывают рука осьминога может генерировать и адаптировать модели движения локально на основе сенсорный вводс ограниченным входом от мозга.

Их мягкие, податливые тела непосредственно влияют на то, как они действуют в мире. И этот вид распределенного, воплощенного интеллекта, в котором поведение возникает из взаимодействие тела, материала и окружающей средыстановится все более влиятельный в робототехнике.

Осязание также является первым чувством, которое развивается у человека в утробе матери. Нейробиология развития показывает, что тактильная чувствительность появляется примерно на восьмой неделе беременности, а затем распространяется по всему телу. во втором триместре. Задолго до того, как зрение или слух начнут функционировать надежно, плод исследует окружающую среду посредством осязания. Считается, что это помогает сформировать у младенцев представление о весе, сопротивлении и поддержке — основах физики мира.

Это различие имеет значение и для робототехники. На протяжении десятилетий роботы в значительной степени полагались на камеры и лидары (метод зондирования, который использует импульсы света для измерения расстояния), избегая при этом физического контакта. Но мы не можем ожидать, что машины достигнут уровня человека в физическом мире, если они редко ощущают его посредством прикосновения.

Моделирование может научить робота полезному поведению, но без реальных физических исследований оно рискует просто задействовать интеллект, а не развивать его. Чтобы учиться так же, как люди, роботам нужны тела, которые чувствуют.

Разумные тела

Один из подходов, который изучает моя группа, — это наделить роботов определенной степенью «локального интеллекта» в их сенсорных телах. Людям выгодна податливость мягких тканей: кожа деформируется таким образом, что усиливается сцепление, усиливается трение и фильтруются сенсорные сигналы еще до того, как они достигают мозга. Это форма интеллекта, заложенная непосредственно в анатомию.

Исследования в мягкая робототехника и морфологические вычисления утверждают, что тело может разгрузить некоторая нагрузка на мозг. Создавая роботов с мягкой структурой и низкоуровневой обработкой, чтобы они могли регулировать захват или позу на основе тактильной обратной связи, не дожидаясь центральных команд, мы надеемся создать машины, которые будут больше взаимодействовать. безопасно и естественно с физическим миром.

Здравоохранение — это одна из областей, где эта возможность может иметь огромное значение. Моя группа недавно разработала роботизированный симулятор пациента для подготовки эрготерапевтов (ОТ). Студенты часто практикуются друг на друге, что затрудняет изучение тонких тактильных навыков, необходимых для безопасной поддержки кого-либо. Работая с реальными пациентами, стажеры должны сбалансировать функциональные и аффективное прикосновениеуважайте личные границы и распознавайте тонкие признаки боли или дискомфорта. Исследования по социальное и аффективное прикосновение показывает, насколько важны эти сигналы для благополучие человека.

Чтобы помочь слушателям понять эти взаимодействия, наш симулятор, известный как Мона, воспроизводит практические поведенческие реакции. Например, когда ОТ нажимает на смоделированную болевую точку на искусственной коже, робот реагирует вербально и небольшим физическим «заминкой» тела, имитируя дискомфорт.

Аналогичным образом, если обучаемый пытается переместить конечность сверх того, что моделируемый пациент может выдержать, робот напрягается или сопротивляется, давая реалистичный сигнал о том, что движение должно прекратиться. Захватывая тактильное взаимодействие через искусственную кожу, наш симулятор обеспечивает обратную связь, которая ранее никогда не была доступна при обучении ОТ.

Роботы, которые заботятся

В будущем роботы с безопасными и чувствительными телами смогут помочь справиться с растущей нагрузкой в сфере социальной помощи. По мере старения населения многие семьи внезапно обнаруживают, что им приходится поднимать, перемещать или поддерживать родственников без формального обучения. В этом могли бы помочь «роботы-уходники», а это потенциально означает, что за членом семьи можно будет дольше ухаживать дома.

Удивительно, но прогресс в разработке этого типа роботов оказался намного медленнее, чем предполагалось изначально, даже в Японии, где были представлены некоторые из прототипы роботов первой помощи. Одним из наиболее продвинутых примеров является Айрекробот-гуманоид, разработанный в рамках проекта правительства Японии. Программа Moonshot для оказания помощи в уходе за пожилыми людьми и уходом за пожилыми людьми. Эта многогранная программа, запущенная в 2019 году, направлена на «амбициозные исследования и разработки, основанные на смелых идеях» с целью построить «общество, в котором люди смогут быть свободными от ограничений тела, мозга, пространства и времени к 2050 году».

Однако во всем мире преобразование исследовательских прототипов в регулируемых роботов остается сложной задачей. Высокие затраты на разработку, строгие требования безопасности и отсутствие четкого коммерческого рынка замедлили прогресс. Но хотя технические и нормативные барьеры существенны, они неуклонно устраняются.

Роботы, которые могут безопасно находиться в тесном физическом пространстве с людьми, должны чувствовать и регулировать то, как они прикасаются ко всему, что соприкасается с их телами. Именно эта чувствительность всего тела будет отличать следующее поколение мягких роботов от сегодняшних жестких машин.

Нам еще далеко до роботов, способных самостоятельно решать эти интимные задачи. Но создание машин с сенсорным управлением уже меняет наше понимание осязания. Каждый шаг к роботизированному тактильному интеллекту подчеркивает необычайную сложность наших тел и глубокую связь между ощущениями, движениями и тем, что мы называем интеллектом.

Эта статья переиздана с Разговор по лицензии Creative Commons. Прочтите оригинальная статья.