V dnešním světě, kde technologie neustále posouvají hranice možného, se tým inženýrů z University of California v San Diegu rozhodl přijmout výzvu a inspiroval se jedním z nejzákladnějších lidských smyslů – hmatem. Jejich cílem bylo vytvořit robotickou ruku, která by dokázala manipulovat s objekty bez nutnosti jejich vizuálního zobrazení.
Manipulace objektů
Lidé jsou běžně schopni manipulovat s objekty s lehkostí, a to i bez vizuálního vstupu. Výše uvedený tým inženýrů se rozhodl převést tuto schopnost do světa robotiky. Výsledkem je nový přístup, který umožňuje robotické ruce otáčet objekty pouze pomocí doteku, aniž by se spoléhala na zrak.
Využitím své techniky výzkumníci sestrojili robotickou ruku, která dokáže plynule otáčet širokou škálu objektů, od malých hraček, plechovek až po ovoce a zeleninu, aniž by je poničila nebo rozmáčkla. Robotická ruka dokázala tyto úkoly splnit pouze na základě informací získaných dotekem.
Obrázek 1 – Midjourney
Inovace v oblasti robotiky
Tato práce by mohla přispět k vývoji robotů, kteří dokáží manipulovat s objekty ve tmě, tak jako lidé. Tým nedávno prezentoval svou práci na konferenci Robotics: Science and Systems Conference 2023.
Pro sestavení svého systému výzkumníci připojili 16 dotykových senzorů na dlaně a čtyři prsty robotické ruky. Každý senzor má cenu zhruba 12 dolarů a plní jednoduchou funkci: detekuje, zda se ho objekt dotýká, nebo ne. Cena 12 dolarů je opravdu velmi malá vzhledem k jiným velmi drahým senzorům, které se jinak používají – pro představu ceny komplexnějších senzorů se pohybují v řádech 100 až 500 dolarů, tedy na zhruba 10 až 50 násobku ceny senzoru, který vědci použili pro svou robotickou rukou. Přemýšleli jste ale někdy nad tím, jak velmi komplexní je pohyb naší ruky v prostoru?
Pohyb rukou v prostoru: zdánlivě komplikovanější proces, než bychom si mysleli
Pohyb rukou v prostoru může vypadat jako jednoduchá a automatická činnost, kterou provádíme každý den bez jakéhokoli zjevného úsilí. Ať už se jedná o sebrání šálku kávy, psaní na klávesnici nebo mávání příteli na rozloučenou, naše ruce se pohybují s grácií a přesností, která je výsledkem složitých neurologických a biomechanických procesů.
Představte si, že si chcete vzít sklenici vody. Váš mozek musí nejprve zpracovat vizuální informace o poloze a vzdálenosti sklenice. Musí také posoudit tvar a velikost sklenice, aby mohl správně nastavit úhel a sílu, s jakou se vaše ruka a prsty pohnou. To vše se děje během zlomku sekundy.
Ale to je jen začátek. Jakmile se vaše ruka pohybuje k sklenici, vaše kůže začíná zaznamenávat senzorické informace. Cítíte chlad sklenice, její hladký povrch, možná i vlhkost kondenzace. Tyto informace vám pomáhají upravit svůj úchop a sílu, kterou používáte k držení sklenice.
A to ještě nezmiňuji koordinaci mezi oběma rukama, pokud například držíte talíř v jedné a sklenici v druhé, nebo dynamické úpravy, které musíte provést, pokud se sklenice začne klouzat nebo pokud se náhle objeví překážka na cestě vaší ruky.
Obrázek 2 – Midjourney
Tato komplexita se stává zřejmou, když se pokusíme tuto schopnost přenést na robotickou ruku. Co pro nás může být intuitivní a snadné, se stává výzvou plnou technických a vědeckých překážek. Naučit robotickou ruku, jak cítit prostor, rozpoznat objekty a pohybovat se s nimi, vyžaduje hluboké pochopení fyziky, matematiky, inženýrství a neurovědy.
Robotická ruka nemá přirozenou intuici nebo schopnost učit se zkušeností, jak to dělá lidský mozek. Musí být programována a kalibrována s extrémní přesností, aby byla schopna provádět úkoly, které pro nás mohou být samozřejmé. Každý aspekt pohybu musí být analyzován, modelován a simulován, aby bylo možné dosáhnout i základní funkčnosti.
Tento proces nám odhaluje, jak neuvěřitelně složitá a zároveň elegantní je naše schopnost manipulovat s objekty. Ukazuje nám, že to, co považujeme za jednoduché a běžné, je ve skutečnosti výsledkem složitého symfonie biologických a neurologických procesů, které pracují v dokonalé harmonii.
V konečném důsledku je vývoj robotické ruky nejen technologickým úspěchem, ale také oslavou lidského těla a mysli. Otevírá dveře k lepšímu pochopení toho, jak fungujeme, a připomíná nám, že i nejjednodušší činnosti mohou být zázraky komplexity.
Levné, ale přesto efektivní
Vraťme se ale zpátky k výzkumu. Co tento přístup činí unikátním, je spoléhání se na mnoho nízkonákladových, nízkorozlišovacích dotykových senzorů, které používají jednoduché binární signály – dotyk nebo nedotyk – k provedení robotické rotace v ruce. Tyto senzory jsou rozprostřeny po velké ploše robotické ruky.
Tento přístup se liší od řady jiných přístupů, které spoléhají na několik vysokonákladových, komplexních dotykových senzorů připevněných na malou plochu robotické ruky, především na špičkách prstů.
Obrázek 3 – Midjourney
Potenciální problémy
Existuje několik problémů s těmito přístupy, vysvětlil Xiaolong Wang, profesor elektrotechniky a počítačového inženýrství na UC San Diego, který vedl aktuální studii. Za prvé, malý počet senzorů na robotické ruce minimalizuje šanci, že se dotknou objektu. To omezuje schopnost systému cítit. Za druhé, vysokorozlišovací dotykové senzory, které poskytují informace o textuře, jsou extrémně obtížně simulovatelně, nemluvě o tom, že jsou také velmi drahé. To je činí náročnějšími pro použití v reálných experimentech. Nakonec se mnoho těchto přístupů stále spoléhá na vidění neboli získávání informací prostřednictvím vizuálních vjemů.
Nebudeme-li schopní minimalizovat cenu jednotlivých čipů, které jsou ke tvorbě robotické ruky potřebné, nebude také moci zavést robotiku do veřejné společnosti. Představte si, jakou cenovku by měla ruka pokrytá například 20 vysoce komplexními čipy s cenovou hodnotou jednoho čipu začínají na 200 dolarech – jednoduše byste se nedoplatili. Robotické vymoženosti by se tak stali záležitostí bohatých nebo velkých podniků, které si to mohou dovolit.
Absurdita rozdílu počtu hmatových receptorů u člověka a současných technologií
Rád bych zde také zmínil, že se bavíme o množství senzorů v řádech pouhých pár desítek. Jak jsme si uvedli výše, i pohyb rukou pro člověka je velmi obtížný komplikovaný proces, který však de facto nevnímáme. K tomu, abychom však měli takovou senzitivitu a úzké propojení mezi mozkem a kůží, má v sobě lidský organismus kolem 3 milionů nervových receptorů zaměřujících se na hmat. Z toho v celé ruce je kolem 140 000 senzorů – to už je trochu jiné číslo oproti použitých 12 senzorům, nemyslíte?
Jednoduchost nade vše
„Zde používáme velmi jednoduché řešení,“ řekl Wang. „Ukazujeme, že nepotřebujeme detaily o textuře objektu k provedení tohoto úkolu. Potřebujeme jen jednoduché binární signály, zda se senzory dotkly objektu nebo ne, a tyto jsou mnohem snazší simulovat a přenést do reálného světa.“
Výzkumníci dále poznamenávají, že velké pokrytí binárními dotykovými senzory dává robotické ruce dostatek informací o 3D struktuře a orientaci objektu, aby ho dokázala úspěšně otáčet bez vidění.
Svůj systém nejprve trénovali tím, že spustili simulace virtuální robotické ruky otáčející různorodou sadu objektů, včetně těch s nepravidelnými tvary. Systém posuzuje, které senzory na ruce jsou v daném čase během rotace aktivovány. Také posuzuje současné polohy kloubů ruky, stejně jako jejich předchozí akce. Na základě těchto informací systém říká robotické ruce, který kloub musí jít kam v dalším časovém bodě.
Obrázek 4 – Midjourney
Z virtuálního testování do praxe
Výzkumníci poté testovali svůj systém na skutečné robotické ruce s objekty, na něž systém ještě nenarazil. Robotická ruka byla schopna otáčet různé objekty bez zastavení nebo ztráty úchopu. Mezi objekty patřil rajče, paprika, plechovka arašídového másla a gumová kachnička, která, vzhledem ke svému tvaru, tvořila pro robotickou ruku největší výzvu. Objekty s komplexnějšími tvary pochopitelně trvalo otáčet déle. Robotická ruka byla také schopná otáčet objekty kolem různých os.
Budoucí vize výzkumníků
Wang a jeho tým nyní pracují na rozšíření svého přístupu na složitější manipulační úkoly. V současné době například vyvíjejí techniky, které umožní robotickým rukám chytat, házet a žonglovat.
„Ruční manipuluace je velmi běžná dovednost, kterou my lidé máme, ale je velmi složitá pro roboty,“ řekl Wang. „Pokud můžeme robotům tuto dovednost odemknou, otevře to dveře k novým druhům úkolů, které budou moci vykonávat.“
Pozitiva robotických rukou
Přemýšleli jste už někdy nad tím, jaký mohou mít robotické ruce přínos ve společnosti, v různých profesích či korporacích? Já taky a uplatnění, které se nám nabízí poskytují vcelku dobrý nadhled do možnosti integrace robotických rukou do světa.
Jedním z nejvýznamnějších příkladů je využití robotických rukou v chirurgii. Přesnost a kontrola, kterou robotické ruce nabízejí, mohou znamenat rozdíl mezi úspěšnou a neúspěšnou operací. Dokážou provádět chirurgické řezy s mikroskopickou přesností, minimalizovat poškození okolních tkání a zkrátit dobu zotavení pacienta.
Robotické ruce kromě toho také nejsou náhlé na běžné lidské faktory – neunaví se, nejsou ovlivněny stresem nebo únavou a mohou pracovat nepřetržitě po dlouhé hodiny. To může být zvláště užitečné v dlouhých a složitých operacích, kde by lidská ruka mohla začít selhávat.
Věděli jste, že při nedostatečném vyspání Vašeho chirurga se dramaticky zvyšuje šance na jeho pochybení při Vaší operaci? No řekněme si, nebylo by úplně příjemné, kdyby Vás v chirurg omylem něco „zapoměl“ nebo „říznul o kousek vedle“, než by jinak měl. Britský neurovědec a známý spánkový propagátor Matthew Walker tak doporučuje, abyste se svého chirurga před operací zeptali kolik hodin naspal. Bude-li to méně jak 7 hodin, bude vhodnější operaci odložit.
Výhody robotických rukou avšak sahají daleko za operační sál. Mohou být použity v průmyslu k provádění precizních úkolů, jako je montáž malých součástek nebo manipulace s nebezpečnými materiály. Mohou také pomoci lidem s tělesnými postiženími žít plnější a nezávislejší život, poskytovat jim schopnost manipulovat s objekty a interagovat s okolním světem.
Robotické ruce představují slibnou budoucnost, kde technologie a lidské schopnosti spolupracují k dosažení větší přesnosti, efektivity a bezpečnosti. Ačkoli jsou stále v raných stádiích vývoje, jejich potenciál je velmi vysoký a jejich dopad životy mnoha lidí bude pravděpodobně neocenitelný.
Obrázek 5 – Midjourney
Tato inovace v oblasti robotiky představuje významný krok vpřed v oblasti objektové manipulace. Tým inženýrů z University of California v San Diegu představil nový způsob, jak robotům umožnit plynulou manipulaci s objekty pouze pomocí doteku. Tato práce nejenže otevírá nové možnosti v oblasti robotiky, ale také ukazuje, jak může být lidský smysl pro hmat převeden do technologického světa. Jedná se o příklad toho příklad, jak může být lidská intuice a schopnost převedena do strojových technologií, což samozřejmě sebou může nést dalekosáhlé důsledky pro budoucnost technologie.
