Emulazione del Tocco tramite AI Avanzata – È Possibile?

La robotica del futuro possiederà sensi comparabili a quelli dei loro omologhi umani. Già esistono algoritmi di IA che consentono ai dispositivi di vedere, odorare e udire. Questi miglioramenti sfruttano sensori e algoritmi avanzati per simulare questi sensi. Tuttavia, un senso è sfuggito ai ricercatori fino ad oggi: il tatto.

Ora, un gruppo di ricercatori del Stevens Institute of Technology ha rivelato un nuovo metodo che emula il tatto. Ecco cosa c’è da sapere.

I ricercatori hanno a lungo cercato di emulare il tatto tramite sistemi robotici. Un robot che potesse sentire aprirebbe la porta a numerosi scenari d’uso. Man mano che più persone iniziano a lavorare accanto a questi dispositivi, l’interesse per i robot che possono ‘sentire’ continua a crescere. Gli ingegneri ritengono che questo senso sia fondamentale per migliorare l’efficienza, le capacità e la sicurezza sul posto di lavoro.

Think of robots that could tell if they bump into you and react accordingly. This ability would allow robots that work closely with humans to reduce their risks and enable them to conduct more precise and previously human-only tasks.

Emulazione del Tocco tramite Studio di AI Avanzata

Lo studio¹, pubblicato sulla rivista Applied Optics, rivela come i ricercatori siano riusciti a simulare il tatto tramite laser e un algoritmo di IA. I ricercatori hanno combinato IA e tecnologia quantistica per raggiungere questo obiettivo in un setup di laboratorio quantistico.
Le interazioni quantistiche forniscono una moltitudine di dati che possono essere utilizzati per creare e migliorare i modelli di IA. Questo approccio combina machine learning avanzato, un LiDAR a singolo fotone a scansione raster e feedback quantistico sotto forma di rumore di speckle per realizzare questo compito.

Emulazione del Tocco tramite Laser a Scansione di Fotoni

Il team ha creato un LiDAR a singolo fotone a scansione raster che può essere configurato per emettere impulsi a intervalli diversi, consentendo agli ingegneri di documentare eventuali cambiamenti e feedback riflessi dalla superficie. Ogni superficie ha rifrazioni diverse a seconda della sua composizione. I ricercatori hanno riconosciuto questo fatto e hanno determinato che era il modo migliore per fornire artificialmente al sistema la capacità di eseguire rapidamente scansioni topografiche.

Modelli AI Algoritmici

L’IA scansiona la superficie utilizzando il laser proprietario come primo passo. Questa manovra crea un’immagine dettagliata dell’oggetto. L’immagine dettagliata produrrà un feedback casuale chiamato rumore di speckle. In passato, il rumore di speckle era un ostacolo alla chiarezza ottica poiché questo feedback riduceva la risoluzione.

I ricercatori hanno notato che questo feedback era più di una semplice interferenza. Forniva una firma unica per ogni superficie basata sulla sua rugosità. Questi dati sono stati inviati al sistema di IA, che ha quindi decifrato le informazioni per determinare le dimensioni, l’altezza e la rugosità della struttura.

I ricercatori hanno utilizzato questo setup per scansionare diversi tipi di superfici al fine di programmare l’algoritmo di IA. In particolare, il sistema ha registrato protoni retro-diffusi da diversi punti della superficie. Da lì, i dati sono raccolti e trasformati in una fibra di modalità che viene conteggiata tramite un rivelatore a singolo fotone. Questo dispositivo può differenziare il rumore di speckle da altre interferenze, consentendo ai ricercatori di sfruttare questa interferenza per determinare la levigatezza dell’oggetto.

Test di Emulazione del Tocco

Per testare la loro teoria, il team ha iniziato configurando un sistema LiDAR a conteggio di singolo fotone a scansione raster a pixel singolo. Questo dispositivo era ottimale per la ricerca poiché può produrre un fascio laser collimato che può essere emesso in impulsi di picosecondi, fornendo copertura e reattività accurate.
Gli ingegneri hanno deciso di utilizzare 31 carte abrasive industriali come soggetti di prova. Hanno iniziato acquisendo tutte le diverse varietà e rugosità. In particolare, le carte abrasive variavano da 1 a 100 micron di spessore. Il laser ha poi inviato impulsi attraverso il transceiver e sulla carta abrasiva. La luce e le interferenze sono state rifratte indietro e calcolate dal sistema di IA.

Risultati dello Studio di Emulazione del Tocco

I risultati di questi test mostrano promettenti prospettive. Il nuovo sistema inizialmente aveva una precisione di 8 micron, ridotta a 4 micron dopo la messa a punto e gli aggiustamenti. È notevole che questo livello di precisione sia comparabile alle soluzioni leader del settore.
È evidente che il sistema funzionava al meglio quando la superficie presentava una grana fine piuttosto che una rugosità marcata. In modo impressionante, gli ingegneri sono stati in grado di determinare con precisione la struttura superficiale delle carte abrasive con uno sforzo minimo, aprendo la porta a questa tecnologia per rimodellare il modo in cui le industrie opereranno nei prossimi anni.

Benefici dello Studio di Emulazione del Tocco

Questa ricerca potrebbe sbloccare numerosi benefici in diversi settori. Innanzitutto, questo metodo fornirebbe enormi risparmi rispetto ai sistemi attualmente in uso. Inoltre, consentirebbe ai produttori di ridurre il personale poiché l’IA è molto più precisa. Questa mossa ridurrebbe i costi generali e migliorerebbe il risultato finale.

Mappatura Rapida della Superficie

La velocità con cui il sistema scansiona una superficie è un altro vantaggio. Questo metodo richiede al laser di scansionare la superficie per pochi istanti prima di effettuare la determinazione. Pertanto, è molto più veloce e richiede meno sforzo, consentendo ai produttori di completare più scansioni e risparmiare.

Integrazione a Basso Costo

Un altro grande vantaggio di questa ricerca è che fornisce soluzioni di integrazione a basso costo sul mercato. In molti casi, il LiDAR è usato per determinare l’integrità strutturale dei componenti principali. Questo nuovo sistema potrebbe migliorare il LiDAR in uso e potenziarlo per effettuare misurazioni a livello di micron.

Controllo di Qualità

Il nuovo tipo di scansione superficiale migliorerà i metodi di controllo qualità per componenti intricati e precisi. Gli ingegneri hanno a lungo usato sistemi per garantire che i componenti vitali di aeromobili e altri oggetti siano privi di difetti che potrebbero potenzialmente trasformarsi in problemi gravi.

Ordinamento Potenziato

I robot ordinatori sono già molto richiesti e in uso in tutto il mondo. Questo aggiornamento potrebbe aiutare questi sistemi a migliorare le loro capacità fornendo loro un senso aggiuntivo da utilizzare nella determinazione della composizione e dell’ordinamento richiesto di un prodotto. Ad esempio, una mano robotica che potesse sentire sarebbe in grado di verificare la consistenza dei prodotti per determinare se sono maturi o meno.

Ricercatori dell’Emulazione del Tocco

Gli ingegneri del Stevens Institute of Technology hanno guidato la ricerca sul sistema di topografia laser. Hanno lavorato a stretto contatto con la direttrice del CQSE Yuping Huang come parte del loro progetto. Inoltre, Daniel Tafone e Luke McEvo hanno ricevuto credito per i loro sforzi nel progetto.

Applicazioni Potenziali

Ci sono molte applicazioni per questa tecnologia. Già, il LiDAR svolge un ruolo fondamentale negli standard di sicurezza. Questa ricerca migliora significativamente tali capacità e consente agli ingegneri di effettuare monitoraggi in tempo reale di componenti cruciali, prima impossibili.

Assistenza Sanitaria

L’industria sanitaria ha registrato una crescente domanda di robot che possano sentire come gli esseri umani. Questi sistemi potrebbero trovare molteplici usi nel settore. Un caso d’uso interessante sarebbe consentire a questi dispositivi di scansionare le nei alla ricerca di melanomi fatali. L’algoritmo basato sul laser potrebbe determinare le piccole differenze che rendono un neo sicuro e l’altro potenzialmente fatale, salvando la vita di migliaia di pazienti.

Migliorare il LiDAR

Il LiDAR è utilizzato in una varietà di prodotti oggi. Auto intelligenti, robot, smartphone e altri prodotti si affidano al LiDAR per fungere da occhi. Anche il tuo robot aspirapolvere include una forma di LiDAR per evitare ostacoli. Questa nuova tecnologia potrebbe aiutare i micro-robot a navigare ambienti come il corpo umano e a fornire trattamenti salvavita direttamente nei luoghi richiesti.

Azienda che può Beneficiare da questa Ricerca

Diversi produttori di robotica potrebbero integrare questa tecnologia e migliorare i loro risultati oggi. La robotica è un settore in rapida crescita che ora abbraccia quasi tutti i settori. Dalla conduzione di interventi chirurgici alla raccolta di frutta, questi dispositivi potrebbero vedere un notevole impulso con l’introduzione di un emulatore di tatto.

Samsara 

Samsara (IOT )  è un’azienda IoT con sede a San Francisco che cerca di fare scalpore. L’azienda è stata fondata da Sanjit Biswas e John Bicket nel 2015 per creare, gestire e offrire ai clienti aziendali una solida funzionalità per tracciare e monitorare la logistica. Oggi, l’azienda fornisce una vasta gamma di prodotti per svolgere questo compito, inclusi dashcam AI, ottimizzazione dei percorsi, tracciamento delle attrezzature, monitoraggio dei siti e telematica.
Samsara è un attore importante nel mercato IoT (Internet of Things). I dispositivi IoT sono i milioni di dispositivi intelligenti che vediamo in uso oggi. Possono essere qualsiasi cosa con una connessione internet, sensore e la capacità di comunicare dati. Oggi, il settore IoT comprende miliardi di dispositivi intelligenti a livello globale.

Samsara consente alle aziende di integrare questi dispositivi nella loro logistica per migliorare i risultati, l’efficienza e la sicurezza. I dispositivi IoT possono essere usati per monitorare i prodotti in tempo reale, includendo la loro condizione, autenticità, posizione e molto altro.
Gli analisti vedono Samsara ben posizionata per crescere man mano che l’industria IoT si espande. L’azienda ha una capitalizzazione di mercato di 30,433 miliardi di dollari e ha il supporto di alcuni dei nomi più importanti del settore. È notevole che l’azione sia stata elencata tra le migliori scelte azionarie dell’Università di Harvard quest’anno, aumentando la fiducia dei consumatori.

Altri Tentativi di Emulare i Sensi Umani

Esaminare la corsa per far sentire i robot rivela alcuni sviluppi interessanti. La prima cosa che si nota è che esistono due approcci molto diversi per far acquisire ai robot il senso del tatto. Le soluzioni hardware incorporano dispositivi che possono simulare il tatto registrando pressione e battito, mentre le soluzioni software integrano algoritmi che utilizzano feedback per simulare il tatto. Ecco alcuni altri modi in cui i ricercatori hanno trovato per dare ai robot la capacità di sentire.

Ceramiche ad Alte Prestazioni

Un recente studio dimostra come micro-particelle ceramiche possano essere incorporate in uno strato flessibile simile a una pelle per consentire al dispositivo di registrare calore e pressione. Le piccole particelle ceramiche forniscono il modo perfetto per trasferire impulsi elettrici attraverso una superficie flessibile.
Questa ricerca ha visto gli ingegneri sviluppare etichette di pelle robotica che potevano capire se ti sei sfiorato e ti sei allontanato. Successivamente hanno creato una protesi intelligente che poteva consentire all’utente di sentire le superfici e reagire di conseguenza. Hanno osservato che la loro pelle robotica era capace di registrare il tatto usando questi impulsi fino alle impostazioni di pressione più sottili.

Nervi Artificiali

Un altro entusiasmante progresso nel campo del tatto robotico è avvenuto in ottobre quando un team di ingegneri del Zhenan Bao Research Group della Stanford University è riuscito a creare un nervo artificiale. Il dispositivo artificiale è stato progettato per funzionare esattamente come il suo omologo umano, consentendo ai robot di rispondere al tatto in modo efficace.
Il sistema si basa su una configurazione di nervo artificiale che può essere suddivisa in tre componenti. I meccanorecettori agiscono come sensori di pressione resistivi. Ci sono anche oscillatori ad anello organici, che funzionano in modo simile ai neuroni, e transistor elettrochimici organici che consentono al sistema intero di operare.

Robot Sweater

La Carnegie Mellon University ha introdotto un Robot Sweater che potrebbe rendere i robot industriali molto più sicuri. È notevole che i sistemi di sicurezza odierni spesso richiedono l’aggiunta di pezzi rigidi ai robot. Il problema di questo approccio è che i robot non possono essere completamente coperti poiché le loro parti mobili devono rimanere flessibili. Questo desiderio ha portato i ricercatori a considerare un tessuto simile a un maglione come soluzione.
Il Robot Sweater è una copertura lavorata a maglia che può adattarsi a qualsiasi forma tridimensionale. Come tale può essere realizzato per fornire protezione totale ai robot e ai loro colleghi umani. Il dispositivo funziona utilizzando due strati di fibre metalliche integrate nella sua superficie. Ogni volta che un umano tocca il maglione, chiude il circuito, notificando il robot dell’incidente e inducendo una risposta.

Futuro dei Robot che Emulano il Tocco

I robot che possono emulare il tatto rappresentano il futuro. Questi dispositivi apriranno la porta a una maggiore integrazione accanto ai colleghi umani. Questo sviluppo porterà a robot che migliorano la sicurezza, risparmiano fondi e forniscono a molteplici settori soluzioni a problemi di lunga data. Pertanto, la domanda di robot che possono emulare il tatto aumenterà nei prossimi anni. Per ora, dovreste aspettarvi di vedere più colleghi robot nei prossimi mesi.
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Riferimento allo Studio:

^{1. Tafone, D., McEvoy, L., Sua, Y. M., & Huang, Y.-P. (2024). Metrologia della rugosità superficiale con un LiDAR a singolo fotone a scansione raster. Applied Optics, 63(30), 7917–7923. https://doi.org/10.1364/AO.537404}