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

Het menselijk tastgevoel is een tweerichtingsverkeer. Wanneer we uitreiken om een kwetsbaar object vast te pakken, voelt onze huid de druk van onze eigen vingers, en dat gevoel vertelt ons brein onmiddellijk om de grip aan te passen. Deze continue lus van waarnemen en reageren vindt plaats in real time, waardoor we delicate voorwerpen kunnen hanteren zonder ze te verpletteren of te laten vallen. In de wereld van de robotica, waar machines vaak door een menselijke operator op afstand worden bestuurd, wordt deze natuurlijke uitwisseling regelmatig onderbroken. De robot heeft misschien sensoren die het object voelen, maar de persoon die de robot bestuurt, ziet meestal alleen een videofeed. Zonder de mogelijkheid om te voelen wat de robot voelt, moet de operator raden hoe hard hij moet knijpen, wat vaak leidt tot fouten of schade. Hoewel wetenschappers al lang proberen robots een tastzin te geven en mensen een manier om het te voelen, hebben deze twee technologieën zelden samengewerkt als één enkel, naadloos systeem.

Onderzoekers aan de Stanford University hebben een nieuw draagbaar apparaat ontwikkeld dat deze kloof overbrugt door luchtdruk te gebruiken om zowel te voelen als aanraking te creëren. Het systeem bestaat uit twee identieke, onafhankelijke eenheden gemaakt van zachte, stofachtige zakjes die op het lichaam gedragen kunnen worden of aan een robot bevestigd kunnen worden. Elk zakje fungeert als een tweeledig instrument: het kan opblazen om tegen de huid te drukken, wat een sensatie van aanraking creëert, of het kan worden ingedrukt door een object om de druk binnenin te meten. Wanneer een robot die is uitgerust met een van deze zakjes een object aanraakt, wordt de verandering in luchtdruk gemeten en draadloos naar het bijbehorende zakje gestuurd dat door de menselijke operator wordt gedragen. De mens voelt de exacte dezelfde drukverandering op de vingertop bijna onmiddellijk, wat een directe link creëert tussen de hand van de robot en de hand van de mens.

Het apparaat is gebouwd van lagen gecoat nylonweefsel, die kleine, opblaasbare zakjes vormen. In elk zakje werken een kleine computer en een ventiel samen om de lucht te regelen. In tegenstelling tot oudere systemen die vereisten dat er volumige externe pompen of slangen werden gebruikt, beschikt dit apparaat over een eigen krachtbron en luchtvoorraad, waardoor het licht genoeg is om comfortabel gedragen te worden. De onderzoekers hebben het systeem zo ontworord dat elk kanaal van het apparaat als sensor, als actuator, of beide tegelijkertijd kan fungeren. Wanneer het als actuator wordt gebruikt, blaast het apparaat het zakje op om tegen de huid te drukken, waardoor een stabiele indrukking ontstaat die het gevoel van het aanraken van een echt object nabootst. Wanneer het als sensor wordt gebruikt, detecteert het zakje hoeveel het wordt samengedrukt en vertaalt die fysieke kracht naar een drukmeting. Door twee van deze apparaten aan elkaar te koppelen, heeft het team een systeem gecreëerd waarbij de druk die door de robot wordt gevoeld, in real time wordt gereproduceerd op de vinger van de mens, zonder enige tussenliggende vertaling naar trillingen of geluiden.

Om te testen hoe goed dit systeem werkt, hebben de onderzoekers eerst het apparaat zelf onderzocht. Ze ontdekten dat de zakjes de druk gedurende lange tijd konden vasthouden zonder te lekken, een significante verbetering ten opzichte van eerdere compacte pneumatische systemen die de druk binnen enkele seconden verloren. Het apparaat kon ook zeer snel reageren, waarbij de druktoestand in minder dan veertig milliseconden werd gewijzigd. Deze snelheid is snel genoeg om de snelle veranderingen in tastzin die mensen in het dagelijks leven ervaren, bij te houden. Het systeem was ook in staat om voldoende kracht te genereren om duidelijk gevoeld te worden op de vingertop, met het vermogen om een piekdruk van meer dan zeventig zes newtons te produceren, wat ruim voldoende is om een stevige grip te simuleren. Cruciaal was dat de tijd die een drukverandering nodig had om van de robot naar de mens te reizen, werd gemeten op zestien milliseconden, een vertraging die zo kort is dat het menselijk brein de feedback als onmiddellijk ervaart.

Het team ging vervolgens over naar menselijke studies om te zien of mensen deze feedback daadwerkelijk konden gebruiken om hun vaardigheden te verbeteren. Vijfentwintig deelnemers kregen de opdracht om een reeks taken uit te voeren, eerst door objecten direct met hun eigen handen aan te raken en daarna door een robotarm te besturen om hetzelfde te doen. In de eerste reeks tests gebruikten de deelnemers het apparaat om verschillende niveaus van druk, stijfheid en gewicht te onderscheiden. Ze waren in staat om het verschil tussen zachte en harde objecten te zien met bijna dezelfde nauwkeurigheid als wanneer ze deze direct met hun eigen vingers aanraakten. Echter, toen ze gevraagd werd het gewicht van objecten via de robot te beoordelen, nam hun prestatie licht af, wat suggereerde dat hoewel het apparaat uitstekend is in het overbrengen van het gevoel van druk en textuur, het beoordelen van gewicht via een robot een complexere mentale taak blijft.

In de laatste fase van de studie voerden de deelnemers een pick-and-place taak uit waarbij ze een zachte, met zand gevulde zak van de ene plek naar de andere moesten verplaatsen. Dit deden ze onder drie verschillende omstandigheden: kijkend naar de taak direct, kijkend naar de taak met een gedeeltelijk geblokkeerd zicht, en alleen kijkend naar een camerabeeld van de pols van de robot. In elk scenario, wanneer de deelnemers de druk door het apparaat konden voelen, pasten ze minder kracht toe op het object. Specifiek, in de moeilijkste visuele omstandigheden, verminderden ze de uitgeoefende druk met wel vierentwintig procent. Ze voltooiden de taken ook sneller, waarbij sommigen bijna achtentwintig procent sneller waren dan wanneer ze geen haptische feedback hadden. Misschien nog belangrijker is dat de deelnemers minder mentale belasting en frustratie rapporteerden wanneer ze konden voelen wat de robot voelde. Het apparaat leek de moeilijke taak van afstandsbesturing natuurlijker en minder belastend voor de geest te maken.

De onderzoekers concludeerden dat door het voelen en het waarnemen te verenigen in één enkel mechanisme, zij een praktisch fundament hebben gelegd voor een nieuw soort tactiele interactie. Deze aanpak vermijdt de verwarring van het vertalen van het ene signaal naar het andere, zoals het omzetten van druk in een trilling, wat vaak vereist dat de gebruiker een nieuwe code leert. In plaats daarvan behoudt het systeem de natuurlijke relatie tussen de uitgeoefende kracht en de gevoelde sensatie. Hoewel het apparaat nog ruimte heeft voor verbetering wat betreft grootte en resolutie, laat de studie zien dat closed-loop, op druk gebaseerde feedback de teleoperatie aanzienlijk kan verbeteren. Het stelt mensen in staat om met een niveau van precisie en vertrouwen met robots te interageren dat voorheen moeilijk te bereiken was, wat de deur opent voor meer delicate en betrouwbare manipulatie op afstand in de toekomst.