หุ่นยนต์ส่วนใหญ่สามารถจับและสัมผัสได้โดยใช้มอเตอร์ ซึ่งอาจมีขนาดใหญ่และแข็งเกินไป กลุ่มมหาวิทยาลัยคอร์เนลล์ได้คิดค้นวิธีให้หุ่นยนต์นุ่มสัมผัสสภาพแวดล้อมภายใน เช่นเดียวกับที่มนุษย์ทำ
กลุ่มที่นำโดย Robert Shepherd ผู้ช่วยศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศ และผู้ตรวจสอบหลักของ ห้องปฏิบัติการวิทยาการหุ่นยนต์อินทรีย์ได้ตีพิมพ์บทความที่อธิบายว่าท่อนำคลื่นแสงแบบยืดหดได้ทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์วัดความโค้ง การยืดตัว และแรงกดในมือหุ่นยนต์ที่อ่อนนุ่มได้อย่างไร
นักศึกษาปริญญาเอก Huichan Zhao เป็นผู้เขียนนำเรื่อง “มือเทียมแบบอ่อนนุ่มที่ห่อหุ้มด้วยออปโตอิเล็กทรอนิกส์ผ่านท่อนำคลื่นแสงแบบยืดหดได้” ซึ่งเป็นจุดเด่นในฉบับเปิดตัวของ Science Robotics กระดาษที่ตีพิมพ์เมื่อวันที่ 6 ธันวาคม; นอกจากนี้ยังมีนักศึกษาปริญญาเอก Kevin O'Brien และ Shuo Li ซึ่งเป็นห้องทดลองของ Shepherd ทั้งคู่
"หุ่นยนต์ส่วนใหญ่ในปัจจุบันมีเซ็นเซอร์อยู่ด้านนอกของร่างกายที่ตรวจจับสิ่งต่างๆ จากพื้นผิว" Zhao กล่าว “เซ็นเซอร์ของเราถูกรวมเข้ากับร่างกาย จึงสามารถตรวจจับแรงที่ส่งผ่านความหนาของหุ่นยนต์ได้จริง เหมือนกับที่เราและสิ่งมีชีวิตทั้งหมดทำเมื่อเรารู้สึกเจ็บปวด เป็นต้น”
ท่อนำคลื่นแบบออปติคัลมีการใช้งานมาตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษ 1970 สำหรับฟังก์ชั่นการตรวจจับมากมาย ซึ่งรวมถึงการสัมผัส ตำแหน่ง และเสียง การแปรรูปเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนแต่เดิม แต่การถือกำเนิดขึ้นในช่วง 20 ปีที่ผ่านมาของการพิมพ์หินแบบอ่อนและการพิมพ์ 3 มิติได้นำไปสู่การพัฒนาเซ็นเซอร์แบบยืดหยุ่นที่ผลิตขึ้นและรวมเข้ากับแอปพลิเคชันหุ่นยนต์แบบนิ่มได้ง่าย
กลุ่มของเชพเพิร์ดใช้กระบวนการพิมพ์หินแบบอ่อนสี่ขั้นตอนเพื่อผลิตแกนกลาง (ซึ่งแสงจะกระจายออกไป) และเปลือกหุ้ม (พื้นผิวด้านนอกของท่อนำคลื่น) ซึ่งเป็นที่ตั้งของ LED (ไดโอดเปล่งแสง) และโฟโตไดโอด
ยิ่งมือเทียมเสียรูปมากเท่าไร แสงก็จะยิ่งสูญเสียไปในแกนกลางมากขึ้นเท่านั้น การสูญเสียแสงแบบแปรผันตามที่ตรวจพบโดยโฟโตไดโอดคือสิ่งที่ช่วยให้อวัยวะเทียมสามารถ "สัมผัส" สภาพแวดล้อมได้
“ถ้าไม่มีแสงหายไปเมื่อเรางอขาเทียม เราจะไม่ได้รับข้อมูลใดๆ เกี่ยวกับสถานะของเซ็นเซอร์” เชพเพิร์ดกล่าว “จำนวนการสูญเสียขึ้นอยู่กับว่าโค้งงออย่างไร”
กลุ่มนี้ใช้อวัยวะเทียมแบบออปโตอิเล็กทรอนิกส์เพื่อทำงานต่างๆ รวมถึงการจับและวัดทั้งรูปร่างและพื้นผิว ที่สะดุดตาที่สุดคือมือสามารถสแกนมะเขือเทศสามลูกและระบุความนุ่มนวลซึ่งเป็นผลสุกที่สุดได้
Zhao กล่าวว่าเทคโนโลยีนี้มีประโยชน์หลายอย่างนอกเหนือจากการทำเทียม รวมถึงหุ่นยนต์ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพ ซึ่ง Shepherd ได้สำรวจไปพร้อมกับ เมสัน เป็ก, รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกลและการบินและอวกาศ, เพื่อใช้ในการสำรวจอวกาศ.
“โครงการนั้นไม่มีการตอบสนองทางประสาทสัมผัส” Shepherd กล่าว โดยอ้างถึงความร่วมมือกับ Peck “แต่ถ้าเรามีเซ็นเซอร์ เราก็สามารถตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงรูปร่างในแบบเรียลไทม์ระหว่างการเผาไหม้ [ผ่านอิเล็กโทรไลซิสในน้ำ] และพัฒนาลำดับการกระตุ้นที่ดีขึ้นเพื่อให้ มันเคลื่อนที่เร็วขึ้น”
การทำงานในอนาคตเกี่ยวกับท่อนำคลื่นแบบออปติคัลในหุ่นยนต์แบบนิ่มจะเน้นที่ความสามารถทางประสาทสัมผัสที่เพิ่มขึ้น ส่วนหนึ่งโดยการพิมพ์ 3 มิติรูปร่างเซ็นเซอร์ที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น และการรวมการเรียนรู้ของเครื่องเป็นวิธีการแยกสัญญาณจากเซ็นเซอร์จำนวนที่เพิ่มขึ้น “ตอนนี้” เชพเพิร์ดพูด “มันยากที่จะแปลได้ว่าการสัมผัสมาจากไหน”
งานนี้ได้รับการสนับสนุนโดยทุนจากสำนักงานวิจัยวิทยาศาสตร์กองทัพอากาศและใช้ประโยชน์จาก สิ่งอำนวยความสะดวกด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีคอร์เนลนาโนสเกล และ ศูนย์วิจัยวัสดุคอร์เนลซึ่งทั้งสองอย่างนี้ได้รับการสนับสนุนจากมูลนิธิวิทยาศาสตร์แห่งชาติ
- ทอม เฟลชแมน, มหาวิทยาลัยคอร์เนล