Roboty zyskają jeszcze większe możliwości dzięki zastosowaniu elastycznej e-skóry. Technologia może przynieść rewolucję w chirurgii małoinwazyjnej

Zespół naukowców z Uniwersytetu w Edynburgu opracował elektroniczną skórę. Odkrycie przyczyni się do rozwoju miękkich robotów, które osiągną dużo wyższy niż obecnie poziom biomimetyzmu – urządzenia zyskają fizyczną samoświadomość podobną do tej, jaką wykazują ludzie i zwierzęta. To kluczowe na przykład dla usprawnienia przebiegu zabiegów chirurgicznych, wykonywanych w sposób małoinwazyjny lub przez dostęp endoskopowy. Możliwości e-skóry nie ograniczają się jednak tylko do sal operacyjnych – ich właściwości będzie można wykorzystać między innymi w urządzeniach ubieralnych, mierzących parametry organizmu.

– Elastyczna e-skóra ma wielowarstwową strukturę i zawiera układ pikseli skóry do odbierania lokalnych i globalnych sekwencji robota miękkiego. Skóra ma strukturę modułową i przy jej wytwarzaniu zastosowano wypalanie laserowe i druk 3D. Jest wykonana z materiałów miękkich, takich jak silikon, ciekłe metale i sadza techniczna oraz ma grubość 1 mm. Zaprojektowaliśmy układ elektroniczny z czujnikami, który przesyła zmienne napięcie o określonej częstotliwości do układu pikseli skóry, i zarejestrowaliśmy reakcję skóry – wyjaśnia w rozmowie z agencją Newseria Innowacje dr Yunjie Yang z Instytutu Komunikacji Cyfrowej Uniwersytetu w Edynburgu.

Opracowana przez naukowców struktura ma ogromne znaczenie dla zwiększenia funkcjonalności miękkich robotów. Daje im poziom fizycznej samoświadomości podobny do tego, jaki mają ludzie i zwierzęta. Technologia ta jest w stanie wykryć szereg złożonych ruchów związanych ze zginaniem, rozciąganiem i skręcaniem, jakie zachodzą w każdej części urządzenia.

– Ruch i zmiana kształtu robotów miękkich wpływają na zmianę sygnału odbieranego ze skóry. Następnie sygnały te są przekazywane do procesora cyfrowego, który można porównać do mózgu robota. Opracowaliśmy metodę uczenia maszynowego, która ma służyć przełożeniu sygnałów ze skóry na trójwymiarowe kształty robota miękkiego – wskazuje dr Yunjie Yang.

E-skóra może znaleźć zastosowanie zwłaszcza w manipulatorach wykorzystywanych przy operacjach chirurgicznych, zwłaszcza w zabiegach małoinwazyjnych lub wykonywanych endoskopowo. W takich zastosowaniach niezwykle istotny jest kształt manipulatora, a przy tym nie można uzyskać o nim wizualnej informacji zwrotnej.

– Jeśli wyobrazimy sobie wykorzystanie manipulatora, żeby zajrzeć do wnętrza organizmu ludzkiego, w takiej sytuacji możliwości uzyskania informacji o bieżącej konfiguracji manipulatora są bardzo ograniczone, ale jednocześnie niezbędna jest bardzo ścisła kontrola nad manipulatorem. Można znaleźć alternatywne sposoby na ustalenie kształtu manipulatora lub wyposażyć manipulator w technologię propriocepcji, umożliwiającą świadomość ruchu. E-skóra jest prawdopodobnie bardziej odpowiednia do tego rodzaju zastosowań. Można zaprojektować e-skórę, która wygląda jak rękawiczka lub rękaw, który można nałożyć na manipulator i po przeprowadzeniu uczenia robota będzie można dokładnie ustalić konfigurację manipulatora bez żadnej wizualnej informacji zwrotnej – podkreśla dr Francesco Giorgio-Serchi, wykładowca w dziedzinie robotyki przemysłowej na Uniwersytecie w Edynburgu.

Jak mówią twórcy, główną zaletą e-skóry jest możliwość rekonstrukcji kształtu przedmiotu miękkiego w czasie rzeczywistym. Po nałożeniu tej struktury na manipulator lub na całą powierzchnię robota miękkiego można błyskawicznie uzyskać informacje na temat kształtu i ruchu przedmiotu.

– Kolejną zaletą technologii e-skóry jest to, że obecnie jest ona zaprojektowana w sposób modularny, czyli polega na budowie segmentów, które następnie można połączyć, aby pokryć nią dowolnego rodzaju powierzchnię. Opisujemy to w ten sposób, że technologia jest niezależna od kształtu przedmiotu – można jej użyć na manipulatorze miękkim, na dłoni, kuli, dosłownie na wszystkim, o ile da się pokryć daną powierzchnię e-skórą, można ją dowolnie kształtować. W naszym przypadku pierwszym zastosowaniem były manipulatory miękkie, ale nie ma przeszkód, aby stosować ją w branży tekstylnej, czyli na przykład w urządzeniach noszonych na ciele. Załóżmy, że chcemy monitorować parametry kinematyczne sportowca, aby zoptymalizować jego wyniki lub wprowadzić program rehabilitacji. W tym celu podstawą są informacje na temat kinematyki ruchu danej osoby. Do wszystkich tych zastosowań e-skóra będzie idealnym rozwiązaniem – przekonuje dr Francesco Giorgio-Serchi.

Obecnie twórcy pracują nad rozszerzeniem możliwości sensorycznych e-skóry, zarówno w przypadku ruchu ciała, jak i bodźców z otoczenia, dotyczących na przykład struktury, temperatury i ciśnienia. Rozwijana jest także technologia wytwarzania e-skóry. Naukowcy dążą do uproszczenia procesu i podniesienia jakości. Trwają prace nad prototypem robota miękkiego zintegrowanego z e-skórą.

– Jednocześnie aktywnie wspieramy ścieżki komercjalizacji technologii e-skóry w szpitalach. Mamy nadzieję, że w najbliższej przyszłości ta technologia może znaleźć szerokie zastosowania nie tylko w sektorze robotyki, ale także w wielu innych sektorach z korzyścią dla całego społeczeństwa – zaznacza dr Yunjie Yang.

Analitycy Emergen Research szacują, że światowy rynek technologii biomimetycznych, który był w 2019 roku wyceniany na 8,2 mld dol., do 2027 roku wypracuje roczny przychód sięgający 17,7 mld dol.