触覚を再現した「人工皮膚」がロボットをより人間に近づける

ロボットに触覚を与える人工皮膚
ロボットに触覚を与える人工皮膚 / Credit: Hedan Bai
reference: techxplore

現在、ロボットが人間のように動く(アウトプットする)ことは実現できてます。しかし、触覚のように、人間らしい感覚を感じさせる(インプットする)ことは非常に難しいものです。

そんな中、アメリカ・コーネル大学機械工学部のロブ・シェパード准教ら研究チームは、11月13日付けの科学誌『Science』にて、人間のような触覚を検知する伸縮性のある人工皮膚を開発したと発表。

新しい人工皮膚は、光によって圧力・曲げ・ひずみなどを検出でき信号として伝えられます。これを応用するなら、ロボットにも人間と同じ感覚を与えることができるかもしれません。

>参照元はこちら(英文)

ロボットに触覚を与える

現代では、モーションキャプチャを利用して、比較的簡単に人間の動きをコンピュータにフィードバックできます。

後は滑らかに動くロボットにその情報を送れば、人間の動きをロボットが再現することができるでしょう。

しかしこれだけでは、人間(哺乳類)特有の豊かな感覚をロボットに与えたことにはなりません。人間に近づけるには体を動かすだけでなく、物を触ったりつかんだりしたときの触覚を与える必要があるのです。

ロボットは人間のような触覚を得られるか
ロボットは人間のような触覚を得られるか / Credit:depositphotos

もちろん、これまでにもロボットが情報を得る手段は存在してきました。センサーと呼ばれるものです。温度センサー、光センサーで温度や明るさを感知できますし、物理センサーで圧力を感知できます。

しかし従来の物理センサーでは、人間の触覚のように繊細で豊富な感覚を得ることは難しいのです。

この点で、研究チームは、触覚を与える伸縮性のある人工皮膚を開発し、様々な分野への応用を可能にしました。

彼らが人工皮膚に利用したのは、論文のタイトルでもある「伸縮性分布型光ファイバセンサー」です。

伸縮性分布型光ファイバセンシングとは

開発されたのは、「伸縮性分布型光ファイバセンサー」という光センサーです。

光ファイバーとは、光を通す繊維のこと。これは主にインターネット回線などで使用されています。光回線は電気信号を光に変換してすばやく伝送しているのですが、この光の経路となるのが光ファイバーなのです。

そして近年、この光ファイバーを用いた「光ファイバセンシング」という技術が注目されています。

本来、光ファイバーは伝送する光が外部からの影響を受けないよう保護されるのですが、逆にこの性質をセンサーとして利用できます。

つまり、受け取った光の性質によってセンサー部分の温度変化やひずみなどを感知できるのです。この光ファイバセンシングは故障しづらくランニングコストも低いという特徴があります。

分布型光ファイバセンシング
分布型光ファイバセンシング / Credit:株式会社ハギテック

そしてこの中には分布型光ファイバセンシング(DFOS)という技術もあります。これは、局所的な測定ではなく、連続した測定が可能であり、グラフのように全体的かつ連続的なデータや変化を観測できます。

そのためDFOSは橋、道路、建物などの機械的な変形を監視するために用いられてきました。

さて、シェパード氏らが開発したのは伸縮性のDFOSであり、これを、触覚情報を得るための人工皮膚システムに応用したのです。

光で動きと触覚を感知する人工皮膚

伸縮性の分布型ファイバセンシング(DFOS)
伸縮性の分布型ファイバセンシング(DFOS) / Credit: Hedan Bai

研究チームは、伸縮性のあるシリコンコーティングの中に、2つの光ファイバーコアを埋め込みました。

そして動きを測定するために、片方のコアは透明にし、もう片方のコアに異なる色の染料を散在させました。

これによって、光の波長、偏光、方向の変化から物理的作用に関する豊富な情報を得られます。

物理的な圧力測定とは異なり、光の強度と色だけで詳細な圧力・曲げ・ひずみを測定できるとのこと。それゆえ研究者たちは機械学習アルゴリズムに頼る必要がありません。

伸縮性DFOSを用いた人工皮膚手袋
伸縮性DFOSを用いた人工皮膚手袋 / Credit: Hedan Bai

そして実際にテストするため、研究チームはこの新しい光ファイバーを利用した手袋を作成。

装着者が指を曲げたり動かしたりしたころ、動きとその強さに対応する光と色のパターンが計測されました。触覚の詳細な情報が得られたのです。

指の動きと、触った部分の感覚が得られる
指の動きと、触った部分の感覚が得られる / Credit: Hedan Bai

さて、この新しい技術は、将来的に医療ツール・ソフトロボット・義手などの開発に役立つことでしょう。

さらにVR・AR技術にも利用できます。例えば、圧力や動きを測定できるグローブによって仮想空間で車の修理方法を学べることが予想されます。

本来、ナットの締め具合などは感覚的なものであり実践でしか学べませんが、この技術を利用するならグローブから伝わる触覚によって微妙な力加減まで正しく理解できるのです。

さらに遠い未来では、ロボットに触覚を会得させ、これまでは人間しか持ち得なかった適度な力のコントロールや、よりリアルな遠隔操作が可能になるかもしれませんね。

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