A Wearable Pneumatic Device for Continuous, Closed-Loop, Bidirectional Tactile Interaction

Der menschliche Tastsinn ist eine Einbahnstraße in beide Richtungen. Wenn wir nach einem zerbrechlichen Objekt greifen, spürt unsere Haut den Druck unserer eigenen Finger, und dieses Gefühl sagt unserem Gehirn augenblicklich, dass es den Griff anpassen muss. Diese kontinuierliche Schleife aus Wahrnehmung und Reaktion geschieht in Echtzeit und ermöglicht es uns, empfindliche Gegenstände zu handhaben, ohne sie zu zerquetschen oder fallen zu lassen. In der Welt der Robotik, in der Maschinen oft von einem menschlichen Bediener aus der Ferne gesteuert werden, wird dieser natürliche Austausch häufig unterbrochen. Der Roboter besitzt zwar vielleicht Sensoren, die das Objekt fühlen, aber die Person, die ihn steuert, sieht meist nur ein Videobild. Ohne die Fähigkeit zu fühlen, was der Roboter fühlt, muss der Bediener raten, wie fest er zudrücken muss, was oft zu Fehlern oder Schäden führt. Während Wissenschaftler schon lange versuchen, Robotern einen Tastsinn zu geben und Menschen einen Weg zu bieten, diesen zu fühlen, haben diese beiden Technologien selten als ein einziges, nahtloses System zusammengearbeitet.

Forscher der Stanford University haben ein neues tragbares Gerät entwickelt, das diese Lücke schließt, indem es Luftdruck nutzt, um sowohl zu tasten als auch Berührung zu erzeugen. Das System besteht aus zwei identischen, kabellosen Einheiten aus weichen, stoffähnlichen Beuteln, die am Körper getragen oder an einem Roboter befestigt werden können. Jeder Beutel fungiert als zweckgebundenes Werkzeug: Er kann sich aufblähen, um gegen die Haut zu drücken und so ein Tastgefühl zu erzeugen, oder er kann durch ein Objekt zusammengedrückt werden, um den Druck im Inneren zu messen. Wenn ein Roboter, der mit einem dieser Beutel ausgestattet ist, ein Objekt berührt, wird die Änderung des Luftdrucks gemessen und drahtlos an den passenden Beutel gesendet, den der menschliche Bediener trägt. Der Mensch spürt die exakt gleiche Druckänderung an seiner Fingerspitze fast augenblicklich, wodurch eine direkte Verbindung zwischen der Hand des Roboters und der Hand des Menschen entsteht.

Das Gerät besteht aus Schichten von beschichtetem Nylonstoff, die kleine, aufblasbare Taschen bilden. In jeder Tasche arbeiten ein winziger Computer und ein Ventil zusammen, um die Luft zu steuern. Im Gegensatz zu älteren Systemen, die sperrige externe Pumpen oder Schläuche erforderten, trägt dieses Gerät seine eigene Energiequelle und Luftversorgung mit sich, was es leicht genug macht, um bequem getragen zu werden. Die Forscher haben das System so konzipiert, dass jeder Kanal des Geräts gleichzeitig als Sensor, als Aktuator oder als beides fungieren kann. Wenn es als Aktuator verwendet wird, bläht das Gerät den Beutel auf, um gegen die Haut zu drücken, wodurch eine stabile Vertiefung erzeugt wird, die das Gefühl des Berührens eines echten Objekts nachahmt. Wenn es als Sensor verwendet wird, erkennt der Beutel, wie stark er zusammengedrückt wird, und überträgt diese physische Kraft in einen Druckwert. Durch die Paarung zweier dieser Geräte schuf das Team ein System, bei dem der vom Roboter gefühlte Druck in Echtzeit auf den Finger des Menschen reproduziert wird, ohne dass eine Zwischenübersetzung in Vibrationen oder Töne erforderlich ist.

Um zu testen, wie gut dieses System funktioniert, untersuchten die Forscher zunächst das Gerät selbst. Sie fanden heraus, dass die Beutel den Druck über längere Zeit halten konnten, ohne zu lecken, was eine bedeutende Verbesserung gegenüber früheren kompakten pneumatischen Systemen darstellt, die innerhalb von Sekunden den Druck verloren. Das Gerät konnte auch sehr schnell reagieren und seinen Druckzustand in weniger als vierzig Millisekunden ändern. Diese Geschwindigkeit ist schnell genug, um mit den raschen Veränderungen des Tastsinns Schritt zu halten, die Menschen im Alltag erleben. Das System war zudem in der Lage, genug Kraft zu erzeugen, um deutlich auf der Fingerspitze spürbar zu sein, mit der Fähigkeit, eine Spitzenkraft von über siebzig sechs Newton zu erzeugen, was mehr als genug ist, um einen festen Griff zu simulieren. Entscheidend war, dass die Zeit, die eine Druckänderung benötigte, um vom Roboter zum Menschen zu gelangen, mit sechsundsechzig Millisekunden gemessen wurde – eine Verzögerung, die so kurz ist, dass das menschliche Gehirn das Feedback als unmittelbar wahrnimmt.

Das Team ging dann zu Humanstudien über, um zu sehen, ob Menschen dieses Feedback tatsächlich nutzen können, um ihre Fähigkeiten zu verbessern. Fünfundzwanzig Teilnehmer wurden gebeten, eine Reihe von Aufgaben durchzuführen, zuerst indem sie Objekte direkt mit ihren eigenen Händen berührten und dann, indem sie einen Roboterarm steuerten, um dasselbe zu tun. In der ersten Testreihe nutzten die Teilnehmer das Gerät, um zwischen verschiedenen Druckstufen, Steifigkeiten und Gewichten zu unterscheiden. Sie waren in der Lage, den Unterschied zwischen weichen und harten Objekten mit nahezu der gleichen Genauigkeit zu erkennen, wie wenn sie diese direkt mit ihren eigenen Fingern berührt hätten. Als sie jedoch gebeten wurden, das Gewicht von Objekten durch den Roboter zu beurteilen, sank ihre Leistung leicht ab, was darauf hindeutet, dass die Beurteilung des Gewichts durch einen Roboter eine komplexere mentale Aufgabe bleibt, obwohl das Gerät hervorragend darin ist, Druck und Textur zu vermitteln.

In der letzten Phase der Studie führten die Teilnehmer eine Pick-and-Place-Aufgabe durch, bei der sie einen weichen, mit Sand gefüllten Beutel von einem Ort zum anderen bewegen mussten. Dies taten sie unter drei verschiedenen Bedingungen: während sie die Aufgabe direkt ansahen, während sie die Aufgabe mit teilweise blockierter Sicht ausführten und während sie nur ein Kamerabild aus dem Handgelenk des Roboters sahen. In jedem Szenario, in dem die Teilnehmer den Druck durch das Gerät fühlen konnten, wandten sie weniger Kraft auf das Objekt an. Konkret reduzierten sie in den schwierigsten visuellen Bedingungen den ausgeübten Druck um bis zu dreiundzwanzig Prozent. Sie schlossen die Aufgaben auch schneller ab, wobei einige fast achtundzwanzig Prozent schneller fertig waren als ohne haptisches Feedback. Vielleicht am wichtigsten war, dass die Teilnehmer angaben, weniger mentale Anstrengung und Frustration zu empfinden, wenn sie fühlen konnten, was der Roboter fühlte. Das Gerät schien die schwierige Aufgabe der Fernsteuerung natürlicher und weniger geistig belastend zu machen.

Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass sie durch die Vereinigung von Wahrnehmung und Empfindung in einem einzigen Mechanismus eine praktische Grundlage für eine neue Art der taktilen Interaktion geschaffen haben. Dieser Ansatz vermeidet die Verwirrung, die entsteht, wenn man eine Art von Signal in eine andere übersetzt, wie etwa die Umwandlung von Druck in Vibration, was oft erfordert, dass der Nutzer einen neuen Code erlernt. Stattdessen bewahrt das System die natürliche Beziehung zwischen der angewendeten Kraft und der empfundenen Sensation. Obwohl das Gerät in Bezug auf Größe und Auflösung noch Raum für Verbesserungen bietet, zeigt die Studie, dass geschlossene, druckbasierte Rückkopplung die Teleoperation signifikant verbessern kann. Es ermöglicht Menschen, mit einer Präzision und Zuversicht mit der Welt durch Roboter zu interagieren, die zuvor schwer zu erreichen war, und öffnet damit die Tür für eine präzisere und zuverlässigere Fernmanipulation in der Zukunft.