В былые времена компьютеры считались чем-то невероятным, чем-то таинственным и крайне сложным для понимания. Сейчас же компьютерные технологии в той или иной степени присутствуют практически в любом аспекте человека. Очевидно, что изучение и совершенствование человеко-компьютерного взаимодействия стало весьма популярным. Если же добавить сюда роботов, то уравнение становится еще сложнее. Многие исследования, которые проводятся с помощью робототехники, являются опосредованными с точки зрения человека. Проще говоря, робот взаимодействует с объектом и окружающей средой, а мы уже взаимодействуем с роботом или данными, которые он собрал. В данном сценарии робот служит посредником, нежели инструментом, так как сам человек не в состоянии «чувствовать» то, что ощущает робот. Ученые из университета Рицумейкан (Япония) решили изучить этот вопрос, обратив свое внимание на микроботах, которые взаимодействуют с насекомыми. Они создали систему, состоящую из мягких роботизированных пальцев, которая позволяет человеку (почти) напрямую взаимодействовать с насекомыми. Из чего состоит система, как именно она работает, и каким потенциалом она обладает с практической точки зрения? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.

Основа исследования

Одним из любопытных фактов компьютерной истории являются габариты первых вычислительных машин. Они были настолько большие, что занимали целые комнаты. С тех пор технологии развивались стремительно, а задача ученых и инженеров фактически свелась к тому, чтобы сделать компьютер не только мощнее, но и меньше. В наши дни микроэлектромеханические системы (MEMS от micro electromechanical system) и технологии «лаборатория на кристалле» (LOC от lab-on-a-chip) позволяют интегрировать самые разные функции в очень маленькие микросхемы.

Роботы бывают разных размеров, что зависит от их функций и соответствующих задач. Большие роботы или андроиды отлично справляются с задачами, которые существуют в макромире, как и люди. А вот микроботы работают в микромире, которые обычным роботам недоступен. Если же между микроботом и человеком установить промежуточную систему в виде тактильного интерфейса, то можно получить практически прямое взаимодействие самого человека и микромира.

Ответ на вопрос «что есть микромир» будет напрямую зависеть от того, учеными из какой области науки он изучается. К примеру, для биологов (в частности для энтомологов) микромир — это мир насекомых. И разного рода микросенсоры и микроботы уже активно используются для его изучения.

Одним из изучаемых вопросов была сила полета летающих насекомых. Для измерения силы использовались прямое измерение с помощью микросенсоров и обработка изображений для захвата движения. К примеру, деформация, движение и генерируемая сила крыльев мотылька были измерены оптически. Аэродинамическая вертикальная сила составляла примерно 7 мН, что примерно в 5 раз сильнее силы тяжести, действующей на мотылька (1.3 мН).

Помимо силы полета изучалась и сила лапок различных насекомых. К примеру, палочники, чью силу лапок изучали с помощью специальной микроплатформы. Медиана разницы между значением силы в начале и в конце шага составила -3.0 мН (сгибание лапки) и 6.0 мН (разгибание лапки).


Изображение №1

Вышеописанные примеры измерений были бы невозможны без применения той или иной формы микротехнологий. В рассматриваемом нами сегодня труде ученые продемонстрировали систему взаимодействия микроробота и насекомого с помощью мягкого микропальца, интегрированного с искусственным мышечным приводом и датчиком тактильной деформации (1a). Искусственный мышечный привод для микропальца, представляющий собой пневматический баллонный привод (PBA от pneumatic balloon actuator), изготовленный из полимера, достаточно мягкий и безопасный, чтобы аккуратно взаимодействовать с насекомыми. Эти пальцы настолько точны и аккуратны, что позволяют человеку работать не только с насекомыми, но и с клеточными агрегатами диаметром 200 мкм (к примеру, hMSC).

Описание системы

Схема процесса изготовления микропальца.

Как уже говорилось ранее, микропалец (12 мм х 3 мм х 490 мкм) был оснащен PBA и датчиком деформации. Слои PDMS были приготовлены путем формования с помощью фоторезиста (SU-8) на кремниевой подложке. Микроканалы как для PBA, так и для датчика на основе жидкого металла были сформированы путем склеивания трех пленок PDMS. Ширина и высота микроканалов составляла 50 мкм, а ширина области для PBA — 800 мкм. Материалом для датчика послужил галинстан (сплав галлия, индия и олова в соотношении 68.5% / 21.5% / 10%).

Подготовка к опытам

Угол изгиба и создаваемая сила микропальца оценивались в зависимости от приложенного давления. Давление контролировалось и обеспечивалось комбинацией компрессора и электропневматического регулятора. Угол изгиба оценивали по изображениям, снятым цифровой камерой, а для измерения создаваемой силы использовали тензодатчик, сигнал от которого усиливался с помощью тензометрического усилителя. Для обработки данных использовался цифровой мультиметр. Объектом изучения стали мокрицы, которых фиксировали с помощью вакуумного пинцета, прикрепленного к спине.


Схема метода измерения реакционной силы мокрицы посредством активного зондирования микропальцем.

На схеме выше (a и b) показано то, как микропалец взаимодействовал с мокрицей во время измерения ее реакционной силы. Касание микропальца к насекомому осуществлялось, когда изгиб был θ₀. Когда угол изгиба становился θ₁, это означало, что мокрица оказывает противодействие (реакционную силу), отталкивая микропалец.

Графики c–e показывают последовательные этапы расчета реакционной силы зондируемого насекомого. Во-первых, ожидаемая сила, соответствующая приложенному давлению, получается заранее через полученное соотношение (график? c). Приложенное давление в ходе опытов составляло 140 кПа. Далее угол изгиба θ₁ оценивался по сигналу, регистрируемому тензодатчиком в микропальце (график d). Относительное изменение сопротивления ΔR/R0 измерялось и преобразовывалось в угол изгиба θ. Наконец, сила реакции рассчитывалась с использованием разности соответствующих сил для θ₀ и θ₁ (график e). В результате выполнения вышеописанных шагом была получена зависимость между углом давления и силой реакции (изображение №9).


График отношения между углом давления микропальца на насекомое и его реакционной силой.

Результаты опытов

Схема на 1a иллюстрирует взаимодействие микропальцев с насекомым, в данном случае объектом изучения стала мокрица. Микропальцы двигают и прикладывают силу к мокрице, лежащей на спине. Мокрица в свою очередь реагирует на приложенную силу и давит на микропальцы, которые могут определять силу этого давления с помощью датчиков деформации. Снимок на 1b показывает роботизированную кисть, состоящую из пяти микропальцев, но дальнейшее исследование было сфокусировано лишь на одном, дабы протестировать концепцию.


Изображение №2

Выше представлены снимки разработанного микропальца для определения активной силы мокрицы. Разработанный микропалец имел длину 12 мм, ширину 3 мм и толщину 490 мкм. Длина тела испытуемых насекомых составляла от 8 до 16 мм. Микропалец был изготовлен из полидиметилсилоксана (PDMS) и интегрирован с PBA и датчиком деформации с использованием жидкого металла.


Изображение №3

На графиках 3a–3c показаны характеристики изгибающего движения микропальца и силы, создаваемой им. Зависимость между приложенным давлением и углом изгиба показана на 3a. Угол изгиба увеличивался в соответствии с приложенным давлением выше 70 кПа. На 3b представлены выходные характеристики микропальца с точки зрения угла изгиба и создаваемой силы в соответствии с приложенным давлением. На 3c показаны характеристики гибкого тензодатчика микропальца. Датчик деформации использовал электрическое сопротивление жидкого металла.

Показатели датчика деформации изменялись линейно в зависимости от угла изгиба. Работоспособность пневматического баллонного привода с тензодатчиком для микропальца была дополнительно проверена посредством 100-кратного повторения цикла изгибания. Изначальный угол изгиба составлял 42 градуса, а спустя 100 циклов увеличился лишь до 43.


Изображение №4

Приложенное давление для экспериментов по измерению силы было установлено на уровне 140 кПа, что могло генерировать 15.6 мН. На 4a показано активное зондирование силы лапки мокрицы, а на 4b показано зондирование силы брюшной части.

Видео №1: взаимодействие микропальца и лапки мокрицы.


Видео №2: взаимодействие микропальца и брюшка мокрицы.


Изображение №5

Измеренная сила лапки составила менее 10 мН (5a), частота движения лапки была порядка 0.3 Гц. Сила брюшной области тела мокрицы превысила 10 мН, а измеренная частота движения лапок была около 0.03 Гц.


Изображение №6

Далее была проведена оценка зависимости силы лапок насекомого от его массы (от 100 до 200 мг, 13 особей). Сила брюшка мокриц, чья масса не превышала 160 мг, демонстрировала тенденцию к увеличению по мере увеличения массы тела. Так особь массой 158 мг генерировала максимальную силу в 15 мН. Однако, когда масса тела превышала 160 мг, то линейной зависимости силы от массы более не наблюдалось. В результате было установлено, что средняя масса, сила лапок и сила брюшка составляли 155 мг, 2.1 мН и 9.0 мН соответственно.

Вышеописанные данные полностью совпадают с измерениями, которые проводились в свое время без применения микропальца, что доказывает их высокую производительность и точность.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали необычное, но весьма полезное устройство. Они создали роботизированную кисть, оснащенную пятью микропальцами, габариты которых составляет всего лишь 12 на 3 мм, а толщина каждого пальца не превышает 490 мкм. Человек способен контролировать это устройство для точного и аккуратного взаимодействия с крайне мелкими и хрупкими объектами, что было продемонстрировано на примере мокриц.

Микропальцы оснащены датчиками деформации, которые позволили в ходе опытов точно определять силу, которую оказывают лапки насекомого в ответ на давление микропальцем. Сила лапки мокрицы составила всего лишь 10 миллиньютон, что является невероятно малым значением, которое, соответственно, не так просто считать. Но, несмотря на эту сложность, микропалец смог это сделать, тем самым показав свою высокую производительность.

Авторы разработки отмечают, что их детище может быть полезно не только для изучения насекомых, но и для расширения диапазона взаимодействия человека с микромиром. То, что ранее было недоступно для тактильного исследования, теперь можно будет легко пощупать, ощутить и, соответственно, лучше понять.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?