Gevoelige robots zijn veiliger

kunsthuid

Een gevoelige kunsthuid zorgt ervoor dat robots hun lichaam en omgeving kunnen voelen. Dit is cruciaal voor nauw contact met mensen. Een team van de Technische Universiteit van München (TUM) heeft een systeem van kunstmatige huid- en controlealgoritmen ontwikkeld, geïnspireerd op biologische modellen. Dit maakte het voor het eerst mogelijk om een autonome robot ter grootte van een mens van kunstmatige huid te voorzien.

De kunstmatige huid, ontwikkeld door Prof. Gordon Cheng en zijn team, bestaat uit zeshoekige cellen ter grootte van een muntstuk van twee euro. Elk is uitgerust met een microprocessor en sensoren die aanraking, versnelling, nadering en temperatuur meten. Een dergelijke kunstmatige huid stelt robots in staat om hun omgeving veel gedetailleerder en gevoeliger waar te nemen. Dit helpt hen niet alleen om veilig te bewegen. Het zorgt er ook voor dat de machines veiliger zijn in de omgang met mensen en kan actief ongevallen voorkomen.

De huidcellen zelf zijn ongeveer tien jaar geleden ontwikkeld door Gordon Cheng, hoogleraar Cognitieve Systemen aan de TUM. Deze uitvinding laat echter pas haar volledige potentieel zien als onderdeel van een geavanceerd ­systeem dat nu is gepresenteerd in het vakblad ‘Proceedings of the IEEE’.

Meer rekencapaciteit door een event-based aanpak

Het grootste obstakel in de ontwikkeling van de robothuid tot nu toe is de rekencapaciteit. De menselijke huid heeft ongeveer vijf miljoen ­receptoren. Als de gegevens van sensoren in de kunsthuid permanent geëvalueerd moeten worden, worden de grenzen snel duidelijk. Eerdere systemen werkten al op volle capaciteit met gegevens van enkele honderden sensoren.

gevoelige huid2

Om dit probleem op te lossen, hebben Gordon Cheng en zijn team gekozen voor een neuro-ingenieursbenadering. Ze controleren niet ­permanent de huidcellen, maar maken gebruik van een zogenaamd event-based systeem. Op deze manier kan de rekenkracht tot 90 procent worden verminderd. De truc: individuele cellen geven alleen informatie van hun sensoren door wanneer de gemeten waarden veranderen. Ons zenuwstelsel werkt op dezelfde manier. We voelen bijvoorbeeld een hoed op het moment dat we hem opzetten, maar raken er snel aan gewend. Omdat er geen permanente aandacht aan de hoed hoeft te worden besteed, worden we ons er pas weer bewust van als het van ons hoofd af wordt geschoten. Ons zenuwstelsel kan zich dan concentreren op nieuwe indrukken waarop het lichaam moet reageren.

Veiligheid, zelfs bij nauw fysiek contact

De event-based aanpak maakte het voor het eerst mogelijk om een autonome robot op menselijke maat uit te rusten met een kunsthuid, die niet afhankelijk was van externe berekeningen. De robot H-1 is uitgerust met in totaal 1.260 cellen en dus meer dan 13.000 sensoren op het bovenlichaam, armen, benen en zelfs op de voetzolen, die een nieuw 'lichaamsgevoel' geven. Zo helpt de huid op de voetzolen van de voeten H-1 om te reageren op oneffenheden in de grond en zelfs om te balanceren op één been. Door de huid heen kan H-1 een persoon veilig omarmen. Dit is minder triviaal dan het klinkt: robots kunnen krachten uitoefenen die mensen ernstig zouden verwonden. Tijdens het knuffelen heeft een robot contact met een persoon op veel verschillende punten en moet deze complexe informatie gebruiken om snel de juiste bewegingen en de juiste hoeveelheid kracht te berekenen. “Dit is misschien minder belangrijk in de industrie, maar op gebieden als de zorg moeten robots worden ontworpen voor zeer nauw contact met mensen”, legt Gordon Cheng uit.

Variabel en robuust

Gordon Cheng’s robothuidsysteem is ook ­bijzonder robuust en variabel. Omdat de huid niet uit een stuk bestaat, maar uit cellen, blijft de huid functioneel, zelfs als individuele cellen falen. “Ons systeem is ontworpen om soepel en snel te werken met alle soorten robots”, zegt Gordon Cheng. “Nu werken we aan het ontwerpen van kleinere huidcellen die in de toekomst in grotere hoeveelheden geproduceerd kunnen worden.”

gevoelige huid3