Emulando o Toque através de IA Avançada – É Possível?

A robótica do futuro possuirá sentidos comparáveis aos de seus homólogos humanos. Já existem algoritmos de IA que permitem que dispositivos vejam, cheirem e ouçam. Essas melhorias utilizam sensores e algoritmos avançados para simular esses sentidos. No entanto, um sentido tem escapado dos pesquisadores até o momento: toque.

Agora, um grupo de pesquisadores do Stevens Institute of Technology revelou um método inovador que emula o toque. Veja o que você precisa saber.

Pesquisadores há muito buscam emular o toque por meio de sistemas robóticos. Um robô que pudesse sentir abriria portas para muitos cenários de uso. À medida que mais pessoas começam a trabalhar ao lado desses dispositivos, o interesse em robôs que podem ‘sentir’ continua a crescer. Engenheiros acreditam que esse sentido é crucial para melhorar a eficiência, as capacidades e a segurança no local de trabalho.

Imagine robôs que pudessem perceber se colidem com você e reagir adequadamente. Essa habilidade permitiria que robôs que trabalham estreitamente com humanos reduzissem seus riscos e realizassem tarefas mais precisas e antes exclusivas dos humanos.

Estudo de Emulação do Toque através de IA Avançada

O estudo¹, publicado na revista Applied Optics, revela como os pesquisadores conseguiram simular o toque por meio de lasers e um algoritmo de IA. Os pesquisadores combinaram IA e tecnologia quântica para alcançar esse objetivo em um ambiente de laboratório quântico.

Interações quânticas fornecem uma abundância de dados que podem ser usados para criar e aprimorar modelos de IA. Essa abordagem combina aprendizado de máquina avançado, um LiDAR de fóton único com varredura raster e feedback quântico na forma de ruído de speckle para realizar essa tarefa.

Emulação do Toque Usando Laser de Varredura que Dispara Fótons

A equipe criou um LiDAR de fóton único com varredura raster que poderia ser configurado para pulsar em diferentes intervalos, permitindo que os engenheiros registrassem quaisquer alterações e feedback refletidos da superfície. Cada superfície tem refrações diferentes dependendo de sua composição. Os pesquisadores reconheceram esse fato e determinaram que essa era a melhor maneira de fornecer artificialmente ao sistema a capacidade de realizar rapidamente varreduras topográficas.

Modelos de IA Algorítmica

A IA escaneia a superfície usando o laser proprietário como primeiro passo. Essa manobra cria uma imagem detalhada do item. A imagem detalhada produzirá um feedback aleatório chamado ruído de speckle. No passado, o ruído de speckle era um obstáculo à clareza óptica, pois esse feedback reduzia a resolução.

Os pesquisadores perceberam que esse feedback era mais que interferência. Ele fornecia uma assinatura única para cada superfície com base em sua rugosidade. Esses dados foram alimentados ao sistema de IA, que então decifrou as informações para determinar as dimensões, a altura e a rugosidade da estrutura.

Fonte – Magicplan

Os pesquisadores utilizaram essa configuração para escanear múltiplos tipos de superfícies e programar o algoritmo de IA. Especificamente, o sistema registrou prótons retroespalhados de diferentes pontos da superfície. A partir daí, os dados são coletados e formados em uma fibra de modo que é contada por um detector de fóton único. Esse dispositivo pode diferenciar o ruído de speckle de outras interferências, permitindo que os pesquisadores aproveitem essa interferência para determinar a suavidade do objeto.

Teste de Emulação do Toque

Para testar sua teoria, a equipe começou configurando um sistema LiDAR de contagem de fótons de pixel único com varredura raster. Esse dispositivo era ideal para a pesquisa, pois pode produzir um feixe de laser colimado que pode ser disparado em pulsos de picosegundos, proporcionando cobertura precisa e responsividade.

Os engenheiros decidiram utilizar 31 lixas industriais como sujeitos de teste. Eles começaram adquirindo todas as diferentes variedades e rugosidades. Especificamente, as lixas variavam de 1 a 100 micrômetros de espessura. O laser então enviou pulsos através do transceptor e na lixa. A luz e a interferência foram refratadas de volta e calculadas pelo sistema de IA.

Resultados do Estudo de Emulação do Toque

Os resultados desses testes são promissores. O novo sistema inicialmente tinha uma precisão de 8 micrômetros, que foi reduzida para 4 micrômetros após ajustes finos. Notavelmente, esse nível de precisão é comparável às soluções líderes da indústria.

Notavelmente, o sistema pareceu funcionar melhor quando a superfície tinha um grão fino em vez de grande rugosidade. De forma impressionante, os engenheiros conseguiram determinar com precisão a estrutura da superfície das lixas com esforço mínimo, abrindo caminho para que essa tecnologia reformule a forma como as indústrias operam nos próximos anos.

Benefícios do Estudo de Emulação do Toque

Esta pesquisa pode desbloquear muitos benefícios em múltiplas indústrias. Em primeiro lugar, esse método proporcionaria enormes economias de custo em relação aos sistemas atuais em uso. Além disso, permitiria que os fabricantes reduzissem sua força de trabalho, já que a IA é muito mais precisa. Essa medida reduziria custos operacionais e melhoraria seus resultados financeiros.

Mapeamento Rápido de Superfície

A velocidade com que o sistema escaneia uma superfície é outra vantagem. Esse método requer apenas que o laser escaneie a superfície por alguns momentos antes de fazer a determinação. Como tal, é muito mais rápido e requer menos esforço para ser utilizado, permitindo que os fabricantes realizem mais escaneamentos e economizem.

Integração de Baixo Custo

Outro grande benefício desta pesquisa é que ela oferece soluções de integração de baixo custo ao mercado. Em muitas situações, o LiDAR é usado para determinar a integridade estrutural de componentes essenciais. Esse novo sistema poderia aprimorar o LiDAR em uso e capacitá-lo a fazer medições em nível de micrômetro.

Controle de Qualidade

A nova forma de escaneamento de superfícies melhorará os métodos de controle de qualidade para componentes intricados e precisos. Engenheiros há muito utilizam sistemas para garantir que componentes vitais de aeronaves e outros itens estejam livres de defeitos que poderiam potencialmente evoluir para problemas graves.

Classificação Aprimorada

Classificadores robóticos já estão em alta demanda e em uso em todo o mundo. Essa atualização poderia ajudar esses sistemas a melhorar suas capacidades, proporcionando-lhes um sentido adicional ao determinar a composição e a classificação necessária de um produto. Por exemplo, uma mão robótica que pudesse sentir seria capaz de verificar a firmeza dos produtos agrícolas para determinar se estão maduros ou não.

Pesquisadores da Emulação do Toque

Engenheiros do Stevens Institute of Technology lideraram a pesquisa sobre o sistema de topografia a laser. Eles trabalharam estreitamente com a diretora da CQSE, Yuping Huang, como parte do projeto. Além disso, Daniel Tafone e Luke McEvo receberam crédito por seus esforços no projeto.

Aplicações Potenciais

Existem muitas aplicações para essa tecnologia. Já o LiDAR desempenha um papel vital nos padrões de segurança. Essa pesquisa melhora essas capacidades significativamente e permite que engenheiros realizem monitoramento em tempo real de componentes críticos, algo nunca antes possível.

Saúde

A indústria de saúde tem observado uma demanda crescente por robôs que possam sentir como humanos. Esses sistemas poderiam encontrar múltiplas aplicações no setor. Um caso de uso interessante seria permitir que esses dispositivos escaneiem sinais de pele em busca de melanomas fatais. O algoritmo baseado em laser poderia determinar as pequenas diferenças que tornam um sinal seguro e outro potencialmente fatal, salvando a vida de milhares de pacientes.

Aprimorar o LiDAR

O LiDAR é usado em uma variedade de produtos hoje. Carros inteligentes, robôs, smartphones e outros produtos dependem do LiDAR para atuar como seus olhos. Até mesmo seu aspirador robô inclui alguma forma de LiDAR para evitar obstáculos. Essa nova tecnologia poderia ajudar micro-robôs a navegar em ambientes como o corpo humano e entregar tratamentos que salvam vidas diretamente aos locais necessários.

Empresa que Pode Se Beneficiar desta Pesquisa

Várias empresas de robótica poderiam integrar essa tecnologia e melhorar seus resultados hoje. A robótica é um setor de rápido crescimento que agora abrange quase todas as indústrias. Desde a realização de cirurgias até a colheita de frutas, esses dispositivos poderiam receber um grande impulso com a introdução de um emulador de toque.

Samsara 

Samsara (IOT )  é uma empresa de IoT baseada em São Francisco que busca causar impacto. A empresa foi fundada por Sanjit Biswas e John Bicket em 2015 para criar, gerenciar e oferecer aos clientes corporativos um recurso sólido para rastrear e monitorar a logística. Hoje, a empresa fornece uma ampla gama de produtos para cumprir essa tarefa, incluindo dashcams de IA, otimização de rotas, rastreamento de equipamentos, monitoramento de sites e telemática.

Samsara é um grande player no mercado de IoT (Internet das Coisas). Dispositivos IoT são os milhões de dispositivos inteligentes que você vê em uso hoje. Eles podem ser qualquer coisa com conexão à internet, sensor e capacidade de comunicar dados. Hoje, o setor de IoT inclui bilhões de dispositivos inteligentes globalmente.

Samsara permite que as empresas integrem esses dispositivos em sua logística para melhorar resultados, eficiência e segurança. Dispositivos IoT podem ser usados para monitorar produtos em tempo real, incluindo sua condição, autenticidade, localização e muito mais.

Analistas veem a Samsara bem posicionada para crescer à medida que a indústria de IoT se expande. A empresa tem um valor de mercado de US$ 30,433 bilhões e conta com o apoio de alguns dos maiores nomes do setor. Notavelmente, a ação foi listada como uma das principais escolhas de ações da Universidade de Harvard este ano, aumentando a confiança dos consumidores.

Outras Tentativas de Emular os Sentidos Humanos

Examinar a corrida para fazer robôs sentirem revela alguns desenvolvimentos interessantes. A primeira coisa que se nota é que existem duas abordagens muito diferentes para fazer robôs adquirirem o sentido do toque. Soluções de hardware incorporam dispositivos que podem simular o toque registrando pressão e calor, enquanto soluções de software integram algoritmos que utilizam feedback para simular o toque. Aqui estão algumas outras maneiras que os pesquisadores encontraram para dar aos robôs a capacidade de sentir.

Cerâmicas de Alto Desempenho

Um estudo recente demonstra como partículas microcerâmicas podem ser incorporadas em uma camada flexível semelhante à pele para permitir que o dispositivo registre calor e pressão. As pequenas partículas cerâmicas fornecem a maneira perfeita de transferir pulsos elétricos através de uma superfície flexível.

Esta pesquisa viu engenheiros desenvolverem etiquetas de pele robótica que podiam detectar se você passou a mão e se afastou. Eles então criaram uma prótese inteligente que poderia permitir ao usuário sentir superfícies e reagir adequadamente. Eles observaram que sua pele robótica era capaz de registrar o toque usando esses pulsos até as configurações de pressão mais finas.

Nervos Artificiais

Outro avanço empolgante no campo do toque robótico ocorreu em outubro, quando uma equipe de engenheiros do Grupo de Pesquisa Zhenan Bao da Universidade de Stanford conseguiu criar um nervo artificial. O dispositivo artificial foi projetado para operar exatamente como seu equivalente humano, permitindo que robôs respondam ao toque de forma eficaz.

O sistema baseia-se em uma configuração de nervo artificial que pode ser dividida em três componentes. Os mecanorreceptores atuam como sensores de pressão resistivos. Também há osciladores de anel orgânicos, que funcionam de forma semelhante aos neurônios, e transistores eletroquímicos orgânicos que permitem que todo o sistema opere.

Suéter Robótico

A Carnegie Mellon University introduziu um Suéter Robótico que poderia tornar os robôs industriais muito mais seguros. Notavelmente, os sistemas de segurança atuais frequentemente exigem peças rígidas adicionadas aos robôs. O problema dessa abordagem é que os robôs não podem ser totalmente cobertos, pois suas partes móveis precisam permanecer flexíveis. Esse desejo levou os pesquisadores a considerar um tecido semelhante a um suéter como solução.

O Suéter Robótico é uma cobertura tricotada por máquina que pode se adaptar a qualquer forma tridimensional. Como tal, pode ser criado para fornecer proteção total para robôs e seus colegas humanos. O dispositivo funciona utilizando duas camadas de fibras metálicas integradas à sua superfície. Sempre que um humano toca o suéter, ele fecha o circuito, notificando o robô do incidente e provocando uma resposta.

Futuro dos Robôs que Emulam o Toque

Robôs que podem emular o toque são o futuro. Esses dispositivos abrirão portas para maior integração ao lado de colegas humanos. Esse desenvolvimento levará a robôs que melhoram a segurança, economizam recursos e fornecem a múltiplas indústrias soluções para problemas duradouros. Assim, a demanda por robôs que podem emular o toque só tende a aumentar nos próximos anos. Por enquanto, você deve esperar ver mais colegas robóticos nos próximos meses.

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Referência do Estudo:

^{1. Tafone, D., McEvoy, L., Sua, Y. M., & Huang, Y.-P. (2024). Metrologia da rugosidade de superfície com um LiDAR de varredura raster de fóton único. Applied Optics, 63(30), 7917–7923. https://doi.org/10.1364/AO.537404}