Hur forskare ger robotar mänskliga taktila sinnen

Det finns en mardrömslik scen i Guillermo del Toros film från 2006 Pans Labyrint där vi konfronteras med en olycksbådande humanoid varelse kallad Pale Man. Utan ögon i sitt monstruösa, hårlösa huvud ser den bleke mannen, som liknar en ögonlös Voldemort, med hjälp av ögonglober inbäddade i handflatorna. Med hjälp av dessa okulärt förstärkta bihang, som han håller upp framför sitt ögonlösa ansikte som glasögon, kan den bleka mannen visualisera och röra sig genom sin omgivning.

Detta beskriver till viss del arbete som utförs av forskare vid brittiska Bristol Robotics Laboratory – om än utan hela den skrämmande kroppsskräckaspekten. Bara i deras fall har Pale Man-ersättaren inte bara en ögonglob i handflatan; han har en på varje finger.

"Under de senaste fyra eller fem åren har det skett en förändring som har skett inom området för taktil avkänning och robotik [i form av] ett steg mot att använda kameror för sensorer,"

professor Nathan Lepora, som leder den 15 medlemmarna Tactile Robotics Research Group för Bristol Robotics Laboratory, berättade för Digital Trends. "Det kallas optisk- och synbaserad taktil avkänning. Anledningen som fångas på är att det finns en förståelse för att högupplöst information innehåll från fingertopparna är avgörande för den artificiella intelligens som [behövs] för att kontrollera dessa system.”

Digitala trender täcktes först Leporas arbete 2017, som beskriver en tidig version av hans teams projekt som "består av en webbkamera som är monterad i en 3D-printad mjuk fingertopp som spårar interna stift, designade för att fungera som beröringsreceptorer hos människor fingertoppar.

Sedan dess har arbetet stadigt gått framåt. För detta ändamål laget nyligen publicerat ny forskning avslöjar de senaste stegen i projektet: Skapa 3D-printad taktil hud som en dag kan ge händerproteser eller autonoma robotar en känselkänsla som är mycket mer i linje med människor av kött och blod händer.

Det 3D-printade nätet består av stiftliknande papiller som efterliknar liknande dermal struktur som finns mellan de yttre epidermala och inre hudlagren på mänsklig hud. Dessa kan producera artificiella nervsignaler, som, när de mäts, liknar inspelningar av riktiga nervceller som gör det möjligt för kroppens mekanoreceptorer att identifiera formen och trycket på föremål eller ytor när rörd.

"När vi gjorde den här jämförelsen av signalerna från våra konstgjorda fingertoppar med verklig data, fann vi en mycket liknande matchning mellan de två datamängderna, med samma sorts kullar och dalar [finns på båda]," Lepora förklarade.

Genom att kombinera denna 3D-printade hudreceptorinformation med data från små inbyggda kameror kan teamet hopp, vara nyckeln till att låsa upp en långsiktig dröm inom artificiell intelligens och robotik: En artificiell känsla av Rör.

Alla fem sinnena

Även om inte alla forskare nödvändigtvis håller med, är det kanske bredaste grundläggande syftet med AI att replikera mänsklig intelligens (eller åtminstone förmågan att utföra alla uppgifter som människor är kapabla till) inuti en dator. Det innebär att hitta sätt att återskapa de fem sinnena – syn, hörsel, lukt, smak och känsel – i mjukvaruform. Först då kan potentiella tester av artificiell allmän intelligens, såsom den föreslagna "Kaffe test” (en verkligt intelligent robot bör kunna gå in i ett hus och skaffa de nödvändiga ingredienserna och komponenterna som behövs för att göra en kopp kaffe), uppnås.

Hittills har mycket uppmärksamhet och framsteg gjorts när det gäller bild- och ljudigenkänning. Mindre uppmärksamhet, men ändå en del, har ägnats åt lukt och smak. AI-utrustade smarta sensorer kan identifiera hundratals olika lukter i en databas genom utvecklingen av en "digital näsa.” Digitala smakprovare, som kan ge objektiva mått på smak, är också föremål för undersökning. Men beröring förblir lockande utom räckhåll.

"Vi är mer medvetet medvetna om områden som vision," sade Lepora och förklarade varför fokus ofta har varit någon annanstans för forskare. ”På grund av det lägger vi större vikt vid det när det gäller vad vi gör varje dag. Men när det kommer till beröring är vi oftast inte ens medvetna om att vi använder det. Och absolut inte att det är så viktigt som det är. Men om du tar bort din känsel, skulle dina händer vara helt värdelösa. Du kunde inte göra något med dem."

Detta är inte att säga att robotar har undvikit interaktion med verkliga objekt. I mer än ett halvt sekel har industrirobotar med begränsade rörelseaxlar och enkla åtgärder som grepp och rotation använts på fabrikens löpande band. I Amazons uppfyllnadscenter spelar robotar en avgörande roll för att säkerställa en endagsleveransprocess möjliggörs. Tack vare ett förvärv 2012 av robotföretaget Kiva har Amazons lager arméer av boxiga robotar liknande stora Roombas som rullar runt produkthyllorna och tar dem till de mänskliga "plockarna" för att välja rätt föremål från.

Men även om båda dessa processer kraftigt skär ner på den tid det skulle ta människor att slutföra dessa uppgifter utan hjälp utför dessa robotar endast begränsad funktionalitet – vilket gör att människor kan utföra mycket av precisionen arbete.

Det finns en bra anledning till detta: Även om skicklig hantering är något som de flesta människor tar för givet, är det något som är utomordentligt svårt för maskiner. Mänsklig beröring är extremt nyanserad. Huden har en mycket komplex mekanisk struktur, med tusentals nervändar bara i fingertopparna, vilket tillåter extremt högupplöst känslighet för fina detaljer och tryck. Med våra händer kan vi känna vibrationer, värme, form, friktion och textur – ner till submillimeter eller till och med mikronnivå. (För en enkel, lågupplöst vision av hur svårt livet är med begränsade beröringsmöjligheter, se hur smidigt du kan ta dig igenom en enda dag med tjocka handskar. Chansen är stor att du river av dem långt före mitt på morgonen!)

Sensorisk feedback

"Det som ger människor den flexibiliteten och skickligheten är den sensoriska feedback som vi får," sa Lepora. "När vi gör en uppgift får vi sensorisk feedback från omgivningen. För skicklighet, när vi använder våra händer, är den dominerande sensoriska feedbacken vår känsel. Det ger oss högupplöst, höginformationsinnehåll, förnimmelser och information om vår miljö för att styra våra handlingar."

Att lösa detta problem kommer att kräva framsteg inom både hårdvara och mjukvara: Mer flexibla, skickliga robotgripare med överlägsen förmåga att känna igen vad de rör vid och beter sig därefter. Mindre, billigare komponenter kommer att hjälpa. Till exempel går tillvägagångssätt för robotgripare som använder kameror för att uppfatta världen åtminstone så långt tillbaka som 1970-talet, med projekt som University of Edinburghs banbrytande Freddy-robot. Det är dock först helt nyligen som kameror har blivit så små att de kan tänkas passa in i en hårdvara som är lika stor som en mänsklig fingertopp. "För fem år sedan var den minsta kameran du kunde köpa kanske ett par centimeter i diameter," sa Lepora. "Nu kan du köpa kameror som är [bara ett par] millimeter."

Det återstår fortfarande mycket arbete innan innovationer som att känna av mjuka fingertoppar kan införlivas i robotar för att ge dem taktila avkänningsförmåga. Men när detta händer kommer det att förändras – oavsett om det gäller att bygga robotar som kan utföra ett större antal end-to-end-uppgifter på arbetsplatsen (tänk ett helt automatiserat Amazon-lager) eller till och med agera i "high-touch"-jobb som att utföra vårdande roller.

När robotar blir mer integrerade med livet som vi känner det, kommer förmågan att interagera säkert med dem omkring dem att bli viktigare. Ända sedan 1979, när en fabriksarbetare i Michigan vid namn Robert Williams blev den första personen i historien som dödades av en robot, har robotar ofta separerats från människor som en säkerhetsåtgärd. Genom att ge dem möjligheten att röra på ett säkert sätt kunde vi börja bryta ner denna barriär.

Kraften av beröring

Det finns bevis som tyder på att genom att göra det kan robotar förbättra deras acceptans av människor. Levande varelser, både mänskliga och andra, berör varandra som ett sätt för social kommunikation – och nej, inte bara på ett sexuellt sätt. Spädbarn som berövas den taktila kontakten med en moderfigur kan bli stressade och illa närade. Hos människor får en klapp på axeln oss att må bra. Kittlande får oss att skratta. En kort hand-till-hand touch från en bibliotekarie kan resultera i mer gynnsamma recensioner av ett bibliotek, och liknande "enkelt" beröring kan få oss att dricka mer på en restaurang, spendera mer pengar på en restaurang eller betygsätta en "touch" som mer attraktiv.

En studie av ämnet, en artikel från 2009 med titeln "Huden som ett socialt organ", noterar att: "I allmänhet tenderar social neurovetenskaplig forskning att fokusera på visuella och auditiva kanaler som vägar för social information. Men eftersom huden är platsen för händelser och processer som är avgörande för hur vi tänker på, känner om och interagerar med varandra, kan beröring mediera sociala uppfattningar på olika sätt.” Skulle beröring från en robot framkalla positiva känslor från oss, vilket gör att vi känner oss mer förtjusta mot maskiner eller annat försäkran? Det är fullt möjligt.

En studie av 56 personer som interagerar med en robotsjuksköterska fann att deltagarna rapporterade en allmänt gynnsam subjektivt svar på robotinitierad beröring, oavsett om detta var för att rengöra huden eller tillhandahålla bekvämlighet. En annan, nyare forskning, med titeln "Den övertygande kraften hos Robot Touch", utforskade också detta ämne.

"[Tidigare forskning har visat] att människor behandlar datorer artigt, ett beteende som vid första anblicken verkar orimligt mot datorer," Laura Kunold, biträdande professor vid fakulteten för psykologi i Human-Centered Design of Socio-Digital Systems vid Tysklands Ruhr University Bochum, berättade för Digital Trends. "Eftersom robotar har fysiska kroppar undrade jag om positiva effekter som positiva känslotillstånd eller följsamhet, som är kända från interpersonell beröring forskning, kan också framkallas genom beröring från en robot." Hon noterade: "Människor - studenter i vårt arbete - är i allmänhet öppna för icke-funktionella beröringsgester från en robot. De var överlag roade och beskrev gesten som trevlig och icke-skadlig.”

När robotinteraktioner blir vanligare kommer beröring troligen att vara en viktig aspekt av deras sociala acceptans. Som George Elliot skriver (inte, det ska sägas, specifikt om robotar) i Mellanmarsch, "vem ska mäta subtiliteten hos de beröringar som förmedlar kvaliteten på själ och kropp?"

Robotar blir mer kapabla hela tiden. För flera år sedan byggde Massachusetts Institute of Technology en mjuk robot som är känslig nog att fånga och sedan släppa ut en levande fisk som den simmar i en tank. Frukt- och grönsaksplockrobotar kan också identifiera och sedan plocka känsliga produkter som tomater utan att pressa dem till passata. Förhoppningsvis kommer de snart att vara pålitliga nog att göra samma sak med människohänder.

Tack vare ett sådant arbete som utförs av forskare vid Bristol Robotics Laboratory kommer de närmare hela tiden.

Redaktörens rekommendationer

• Digital Trends Tech For Change CES 2023 Awards
• Hur ska vi veta när en AI faktiskt blir kännande?
• Algoritmisk arkitektur: Ska vi låta A.I. designa byggnader åt oss?
• Känslokännande A.I. är här, och det kan vara i din nästa anställningsintervju
• World's Fair 2.0: Uppdraget att återuppliva den största tekniska mässan genom tiderna