TacClip: a clip-on sensor measures dynamic contact forces without covering the fingerpads

Menselijke handen zijn opmerkelijk gevoelige instrumenten, in staat om het ruwheid van schuurpapier te onderscheiden van de gladheid van zijde, of de subtiele rand van een naad in een kledingstuk te voelen. Deze gevoeligheid berust op de blote huid van de vingertoppen, die fungeert als een directe interface met de wereld. Decennialang hebben wetenschappers en ingenieurs geprobeerd robots te leren om de menselijke tastzin te imiteren, in de hoop dat machines complexe taken zouden kunnen leren door te kijken naar en te voelen wat mensen doen. Echter, er is een aanzienlijk probleem ontstaan: om de krachten en trillingen te meten die een menselijke hand ervaart, moesten onderzoekers de vingertoppen traditioneel bedekken met sensoren of handschoenen. Deze bekledingen werken als een barrière, waardoor de zintuiglijke waarnemingen die ze juist proberen te registreren, worden gedempt. Als een persoon de textuur van een stof of de rand van een transparant object niet kan voelen omdat de vinger in een dikke handschoen is gehuld, is de data die zij aan een robot leveren incompleet. De uitdaging was om een apparaat te bouwen dat de mechanische data van een aanraking vastlegt zonder de aanraking zelf te blokkeren.

Een team van onderzoekers aan de Stanford University heeft een oplossing ontwikkeld voor dit dilemma, genaamd TacClip. In plaats van de gevoelige pad van de vinger te bedekken, is dit apparaat een kleine, verwijderbare clip die aan de vingernagel wordt bevestigd en rond de zijkant van de vingertop sluit. Het is ontworpen om gedragen te worden tijdens natuurlijke handbewegingen, waarbij de huid volledig vrij blijft zodat de gebruiker de volledige gevoeligheid voor textuur, temperatuur en wrijving behoudt. Het apparaat werkt door te meten hoe het zachte weefsel van de vingertop vervormt wanneer het tegen een object drukt. Terwijl de vinger wordt ingedrukt, bolt de huid lichtjes uit, wat op zijn beurt de plastic clip doet buigen. Binnenin de clip bevat een minuscule optische vezel een speciaal patroon dat van eigenschappen verandert wanneer het wordt uitgerekt of samengedrukt. Deze verandering stelt het systeem in staat om het fysieke buigen van de clip te vertalen naar een digitaal signaal, waardoor de kracht van de aanraking en de trillingen die optreden wanneer de vinger over een oppervlak glijdt, effectief worden geregistreerd.

De onderzoekers testten het apparaat om te zien hoe goed het de sterkte van een druk kon meten en de subtiele trillingen van beweging kon detecteren. In experimenten waarbij gebruikers het apparaat tegen een krachtsensor drukten, was de TacClip in staat om de toegepaste kracht met een hoge mate van nauwkeurigheid in te schatten, waarbij de afwijking van de werkelijke waarde doorgaans minder dan een halve Newton was over een bereik tot acht Newtons. Het apparaat bleek ook in staat te zijn om de snelle, hoogfrequente trillingen te vangen die optreden wanneer een vinger over een oppervlak glijdt. Wanneer een gebruiker bijvoorbeeld met zijn vinger over een corduroy stof gleed, kon de sensor onderscheid maken tussen bewegen met de draad van de stof en bewegen tegen de draad in, door unieke trillingspatronen op te pikken die overeenkwamen met de ribbels van het materiaal. Dit vermogen om richting en textuur te voelen is cruciaal voor taken zoals het vouwen van kleding of het hanteren van delicate materialen, waarbij visie alleen vaak niet genoeg informatie biedt.

Naast eenvoudige textuur demonstreerde het apparaat zijn nut in situaties waarin visuele waarneming onbetrouwbaar is. In één test werd de gebruiker gevraagd de rand van een rol doorzichtige verpakkingstape te vinden terwijl deze op een draaischijf roteerde. Omdat de tape transparant is, is het bijna onmogelijk om de rand te zien tegen veel achtergronden. De TacClip detecteerde echter het moment waarop de vinger de rand passeerde door een plotselinge verandering in het trillings- en krachtprofiel te voelen. Het systeem kon de locatie van de rand met hoge precisie aanwijzen, en de nauwkeurigheid verbeterde naarmate de gebruiker iets harder drukte, wat de helderheid van het signaal vergrootte. De onderzoekers toonden ook aan dat het apparaat onder water werkt. Omdat het gebruikmaakt van licht dat door een vezel reist in plaats van elektriciteit, is de sensor immuun voor water en kan het tactiele data registreren terwijl een hand ondergedompeld is, wat mogelijkheden opent voor het bestuderen van hoe mensen interageren met objecten in natte omgevingen.

Het apparaat is niet beperkt tot het meten van kracht; het kan ook deel uitmaken van een groter systeem om handbewegingen te volgen. Dezelfde optische vezel die in de clip wordt gebruikt, kan worden doorgetrokken langs de rug van de hand naar een polsband. Door te meten hoe de vezel buigt wanneer de vingers krommen, kan het systeem de positie van de hand inschatten, zelfs wanneer de vingers uit het zicht zijn, zoals bij het grijpen van een object. Wanneer gecombineerd met een camera, maakt deze hybride aanpak een completer beeld van de handbeweging mogelijk dan een camera alleen zou kunnen bieden. De onderzoekers ontdekten dat deze combinatie hielp om de nauwkeurige tracking van de vorm van de hand te behouden, zelfs wanneer de vingers gedeeltelijk geblokkeerd waren voor het zicht van de camera.

De TacClip vertegenwoordigt een verschuiving in de manier waarop tactiele data wordt verzameld, waarbij de prioriteit ligt bij het behoud van de natuurlijke menselijke sensatie boven het gemak van het bedekken van de huid. Het is een klein, lichtgewicht hulpmiddel dat ongeveer $20 per vinger kost om te produceren, exclusief de duurdere apparatuur die nodig is om de vezelsignalen uit te lezen. Hoewel het apparaat nog niet de noodzaak voor camera's of volledige handschoenen vervangt, vult het een specifieke leemte door een helder venster te bieden naar de krachten en trillingen van een blote vinger. De onderzoekers suggereren dat deze aanpak robots effectiever kan helpen leren van menselijke demonstraties, met name voor taken die een delicate aanraking vereisen of het vermogen om fijne details te voelen die camera's niet kunnen zien. Door de vingertop vrij te houden, zorgt het apparaat ervoor dat de menselijke demonstrant precies voelt wat hij in de echte wereld zou voelen, waardoor de door hem geleverde data authentieker en bruikbaarder is voor het trainen van de volgende generatie robotische handen.