A Wearable Pneumatic Device for Continuous, Closed-Loop, Bidirectional Tactile Interaction
تقدم هذه الورقة نظاماً هوائياً قابلاً للارتداء يوحد بين الاستشعار اللمسي والتغذية الراجعة اللمسية في نمط واحد لتمكين تفاعل ثنائي الاتجاه، مستمر، ومغلق الحلقة، مما يظهر تحسينات كبيرة في أداء التحكم عن بُعد في عمليات المناولة وتقليل العبء الذهني.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
إن حاسة اللمس البشرية هي طريق ذو اتجاهين. فعندما نمد أيدينا للإمساك بجسم هش، تشعر بشرتنا بضغط أصابعنا، وهذا الشعور يخبر دماغنا فوراً بضرورة تعديل قوة القبضة. هذه الحلقة المستمرة من الاستشعار والاستجابة تحدث في الوقت الفعلي، مما يسمح لنا بالتعامل مع الأشياء الدقيقة دون سحقها أو إسقاطها. وفي عالم الروبوتات، حيث تُدار الآلات غالباً بواسطة مشغل بشري عن بُعد، غالباً ما ينقطع هذا التبادل الطبيعي. قد يمتلك الروبوت مستشعرات تشعر بالجسم، لكن الشخص الذي يتحكم به لا يرى عادةً سوى بث فيديو. وبدون القدرة على الشعور بما يشعر به الروبوت، يتعين على المشغل التخمين لمدى قوة الضغط، مما يؤدي غالباً إلى أخطاء أو أضرار. وبينما حاول العلماء لفترة طويلة منح الروبوتات حاسة اللمس ومنح البشر وسيلة للشعور بها، إلا أن هاتين التقنيتين نادراً ما عملتا معاً كنظام واحد متكامل.
لقد طور باحثون في جامعة ستانفورد جهازاً جديداً قابلاً للارتداء يسد هذه الفجوة باستخدام ضغط الهواء لاستشعار اللمس وخلقه في آن واحد. يتكون النظام من وحدتين متطابقتين غير متصلتين بسلك، مصنوعتين من أكياس ناعمة تشبه القماش يمكن ارتداؤها على الجسم أو تثبيتها على الروبوت. يعمل كل كيس كأداة مزدوجة الغرض: إذ يمكنه الانتفاخ للضغط على الجلد، مما يخلق إحساساً باللمس، أو يمكن ضغطه بواسطة جسم ما لقياس الضغط بداخله. عندما يلمس روبوت مجهز بأحد هذه الأكياس جسماً ما، يتم قياس التغير في ضغط الهواء وإرساله لاسلكياً إلى الكيس المطابق الذي يرتديه المشغل البشري. يشعر الإنسان بتغيير الضغط نفسه تماماً على طرف إصبعه بشكل فوري تقريباً، مما يخلق رابطاً مباشراً بين يد الروبوت ويد الإنسان.
تم بناء الجهاز من طبقات من نسيج النايلون المغلف، مكونة جيوباً قابلة للانتفاخ. داخل كل جيب، يعمل كمبيوتر صغير وصمام معاً للتحكم في الهواء. وبخلاف الأنظمة القديمة التي كانت تتطلب مضخات خارجية ضخمة أو أنابيب، يحمل هذا الجهاز مصدر طاقته وإمدادات الهواء الخاصة به، مما يجعله خفيف الوزن بما يكفي لارتدائه براحة. صمم الباحثون النظام بحيث يمكن لكل قناة في الجهاز أن تعمل كمستشعر، أو كمحرك، أو كلاهما في نفس الوقت. وعند استخدامه كمحرك، يقوم الجهاز بنفخ الكيس للضغط على الجلد، مما يخلق انبعاجاً مستقراً يحاكي الشعور بلمس جسم حقيقي. وعند استخدامه كمستشعر، يكتشف الكيس مقدار تعرضه للضغط ويحول تلك القوة الفيزيائية إلى قراءة للضغط. ومن خلال الجمع بين جهازيْن من هذا النوع، أنشأ الفريق نظاماً حيث يتم إعادة إنتاج الضغط الذي يشعر به الروبوت على إصبع الإنسان في الوقت الفعلي، دون أي ترجمة وسيطة إلى اهتزازات أو أصوات.
لاختبار مدى فعالية هذا النظام، فحص الباحثون الجهاز نفسه أولاً. ووجدوا أن الأكياس يمكنها الحفاظ على الضغط لفترة طويلة دون تسريب، وهو تحسن كبير مقارنة بالأنظمة الهوائية المدمجة السابقة التي كانت تفقد الضغط في غضون ثوانٍ معدودة. كما كان بإمكان الجهاز الاستجابة بسرعة كبيرة، حيث يغير حالته من حيث الضغط في أقل من أربعين مللي ثانية. وهذه السرعة كافية لمواكبة التغيرات السريعة في اللمس التي يختبرها البشر في حياتهم اليومية. كما تمكن النظام من توليد قوة كافية ليتم الشعور بها بوضوح على طرف الإصبع، مع القدرة على إنتاج ذروة قوة تزيد عن ستة وسبعين نيوتن، وهو أكثر من كافٍ لمحاكاة قبضة قوية. والأهم من ذلك، تم قياس الوقت الذي استغرقه انتقال تغير الضغط من الروبوت إلى الإنسان بـ ٦٤ مللي ثانية، وهو تأخير قصير جداً لدرجة أن الدماغ البشري يدرك التغذية الراجعة كاستجابة فورية.
انتقل الفريق بعد ذلك إلى الدراسات البشرية لمعرفة ما إذا كان بإمكان الناس استخدام هذه التغذية الراجعة لتحسين مهاراتهم. طُلب من خمسة وعشرين مشاركاً أداء سلسلة من المهام، أولاً عن طريق لمس الأشياء مباشرة بأيديهم ثم عن طريق التحكم في ذراع روبوت للقيام بنفس الشيء. في المجموعة الأولى من الاختبارات، استخدم المشاركون الجهاز للتمييز بين مستويات مختلفة من الضغط، والصلابة، والوزن. وكانوا قادرين على التمييز بين الأجسام اللينة والصلبة بدقة تقارب دقة لمسهم لها مباشرة بأصابعهم. ومع ذلك، عندما طُلب منهم تقدير وزن الأجسام من خلال الروبوت، انخفض أداؤهم قليلاً، مما يشير إلى أنه بينما يعد الجهاز ممتازاً في نقل الإحساس بالضغط والملمس، فإن تقدير الوزن عبر الروبوت يظل مهمة ذهنية أكثر تعقيداً.
في المرحلة النهائية من الدراسة، قام المشاركون بمهمة "الالتقاط والوضع" حيث كان عليهم نقل كيس مليء بالرمل من مكان إلى آخر. قاموا بذلك تحت ثلاثة ظروف مختلفة: النظر مباشرة إلى المهمة، والنظر إلى المهمة مع حجب رؤيتهم جزئياً، والنظر فقط إلى بث كاميرا من معصم الروبوت. في كل سيناريو، عندما كان بإمكان المشاركين الشعور بالضغط من خلال الجهاز، فقد طبقوا قوة أقل على الجسم. وتحديداً، في الظروف البصرية الأكثر صعوبة، قللوا الضغط الذي طبقوه بنسبة تصل إلى ثلاثة وعشرين بالمئة. كما أكملوا المهام بشكل أسرع، حيث أنهى البعض مهامهم أسرع بنسبة تقارب ثمانية وعشرين بالمائة مقارنة بالحالة التي لم يكن لديهم فيها تغذية راجعة لمسية. ولعل الأهم من ذلك، هو أن المشاركين أفادوا بشعورهم بجهد ذهني وإحباط أقل عندما تمكنوا من الشعور بما يشعر به الروبوت. بدا أن الجهاز يجعل المهمة الصعبة المتمثلة في التحكم عن بُعد تبدو أكثر طبيعية وأقل إرهاقاً للعقل.
خلص الباحثون إلى أنه من خلال توحيد الاستشعار والشعور في آلية واحدة، فقد خلقوا أساساً عملياً لنوع جديد من تفاعل اللمس. يتجنب هذا النهج الارتباك الناتج عن ترجمة نوع واحد من الإشارات إلى نوع آخر، مثل تحويل الضغط إلى اهتزاز، وهو ما يتطلب غالباً من المستخدم تعلم "كود" أو شفرة جديدة. بدلاً من ذلك، يحافظ النظام على العلاقة الطبيعية بين القوة المطبقة والإحساس الملموس. وبينما لا يزال الجهاز يحتاج إلى تحسين من حيث الحجم والدقة، فإن الدراسة تثبت أن التغذية الراجعة القائمة على الضغط في حلقة مغلقة يمكن أن تعزز بشكل كبير عمليات التشغيل عن بُعد. فهي تسمة تتيح للبشر التفاعل مع العالم من خلال الروبوتات بمستوى من الدقة والثقة كان من الصعب تحقيقه سابقاً، مما يفتح الباب أمام معالجة عن بُعد أكثر دقة وموثوقية في المستقبل.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.