«Хватит в меня тыкать»: роботы научились чувствовать боль и «психовать» (почти как люди)

Китайские исследователи создали искусственную «кожу» для роботов, которая передаёт сигналы не обычными цифровыми данными, а серией коротких электрических импульсов, похожих на работу нервной системы. Такая схема помогает не только почувствовать нажатие, но и понять, где именно оно произошло, заметить поломку датчика и даже запустить простую «рефлекторную» реакцию, например отдёрнуть руку при опасном давлении.

В живой коже всё устроено сложно, и она многоуровневая. Есть разные типы рецепторов, одни реагируют на тепло, другие на холод, боль или давление, а часть обработки происходит уже на уровне спинного мозга, чтобы организм мог мгновенно среагировать без участия мозга. Авторы работы взяли эту идею как ориентир и решили собрать подобную систему для роботизированной руки, но пока ограничились только давлением.

Основа разработки — это гибкий полимерный слой с вшитыми датчиками давления. Каждый датчик подключён к проводящим полимерам, а дальше сигнал попадает в следующий уровень, где преобразуется в «поезд» импульсов, то есть последовательность коротких токовых всплесков. В биологии такие импульсы и есть основной язык общения нейронов, хоть с точки зрения классической инженерии он выглядит шумным и неудобным.

Интересно, что в подобных импульсных сигналах можно закодировать несколько видов информации. В живых системах чаще всего используется частота, чем сильнее воздействие, тем чаще идут импульсы. Здесь исследователи сделали так же, уровень давления передаётся частотой. А чтобы система понимала, откуда именно пришёл сигнал, в свойства импульсов добавили «метку», нечто вроде штрихкода, который помогает идентифицировать конкретный датчик.

Кроме того, каждый участок кожи регулярно отправляет короткий сигнал «я на месте». Если он перестаёт приходить, это считается признаком неисправности, например если датчик повредился или оборвалось соединение. То есть система умеет не только чувствовать воздействие, но и следить за собственной целостностью.

Следующий слой электроники принимает эти импульсы, определяет наличие давления и его координаты, а также делает простую первичную оценку. По задумке это аналог того, как часть обработки происходит «на месте» до передачи наверх. Сигналы могут накапливаться до порога, который трактуется как боль, после чего включается тревожная реакция. В демонстрации с роботизированной рукой, покрытой такой кожей, устройство начинало двигаться, если давление могло привести к повреждению, то есть срабатывало подобие рефлекса.

Этот же промежуточный уровень ещё и фильтрует и объединяет данные, отправляя их дальше в систему управления робота, условный «мозг». В экспериментах разработчики показали необычный сценарий, когда по сигналам с руки роботизированное лицо меняло выражение в зависимости от силы нажатия.

Часть параметров команда подбирала экспериментально. Например, они ориентировались на давление, которое в человеческой коже уже воспринимается как болезненное, измеряли, какую частоту импульсов при этом даёт их сенсор, и использовали это как порог для тревожного сигнала и рефлекторной реакции. При этом сама «кожа» лишь сообщает о проблеме и месте воздействия, а более сложное поведение зависит от того, как запрограммирован управляющий модуль.

Ещё одна практичная деталь — это ремонтопригодность. Кожу задумали как набор сегментов, которые соединяются магнитными защёлками. При установке они автоматически формируют нужные электрические контакты, а каждый сегмент передаёт свой уникальный идентификатор. Если система замечает повреждение, оператор может быстро заменить конкретный модуль и обновить привязку его нового идентификатора к месту на руке.

Авторы называют разработку нейроморфной роботизированной e-skin. Правда, в строгом смысле это не копия биологии. Например, в живой нервной системе координаты тела поддерживаются не тем способом, который здесь использован, и похожего «кодирования местоположения» в форме импульса в природе нет. Скорее это инженерная конструкция, вдохновлённая общими принципами, чем модель реальной кожи.

Пока система ощущает только давление, тогда как настоящая кожа умеет работать с температурой, раздражителями и множеством других сигналов. Теоретически их можно добавить, но тогда потребуется параллельная обработка, чтобы разные потоки не мешали друг другу.

Несмотря на ограничения, подход выглядит перспективно. Импульсные нейроморфные процессоры уже существуют и умеют запускать нейросети намного энергоэффективнее в задачах, где уместна работа со спайками. А значит, подобная «кожа» может стать удобным интерфейсом между датчиками и экономичной вычислительной частью робота, особенно там, где важны скорость реакции и автономность.