ロボットインタフェースがソフトタッチをマスター

May, 7, 2024, Lausanne--EPFLの研究者は、マシュマロから心臓の鼓動まで、様々な素材の柔らかさを再現できる触覚デバイスを開発し、これまでロボット工学者が逃れてきた一見複雑な課題を克服した。

柔らかさの知覚は、当然のことであるが、多くの行動や相互作用において重要な役割を果たしている。アボカドの熟度を判断したり、健康診断を行ったり、愛する人の手を握ったりまでである。とは言え、柔らかさの知覚を理解して再現することは、非常に多くの感覚的および認知的プロセスを含むため、簡単ではない。

ロボット工学の研究者は、触覚デバイスを使ってこの課題に対処しようとしてきたが、これまでの試みでは、柔らかさの知覚の2つの主要な要素である皮膚の手がかり(指先の皮膚からの感覚的なフィードバック)と運動感覚の手がかり(指の関節にかかる力の量に関するフィードバック)が区別されていなかった。

「マシュマロを指先で押さえると、柔らかいことが一目瞭然である。しかし、そのマシュマロの上に硬いビスケットを置いてもう一度押すと、指先が硬い表面に触れていても、柔らかいマシュマロが下にあることがわかる」と、EPFLの工学部のリコンフィギュラブル・ロボティクス・ラボのPh.D学生、Mustafa Meteは説明している。「われわれは、同じことができるロボットプラットフォームを作れないか試してみたかった」。

SORI(Softness Rendering Interface)により、Jamie Paikが率いるRRLは正にそれを実現した。SORIは、皮膚と運動感覚の手がかりを切り離すことで、様々な実物素材の柔らかさを忠実に再現し、ロボット分野のギャップを埋め、深海探査からロボット支援手術まで、柔らかさの感覚が重要な多くのアプリケーションを可能にする。

この研究成果は、米国科学アカデミー紀要(PNAS)に掲載されている。

柔らかさの感じ方は人それぞれである
神経科学的および心理学的研究によると、皮膚の手がかりは主に皮膚が表面にどれだけ接触しているかに基づいており、これは多くの場合、物体の変形に部分的に関連しているとMeteは説明している。言い換えれば、指先のより広い領域を包む表面は、より柔らかく知覚される。しかし、人間の指先のサイズと硬さは大きく異なるため、ある指が別の指よりも特定の表面に大きく接触する可能性がある。

「指の形が違うので、私が感じる柔らかさとあなたが感じる柔らかさが違うかもしれないことに気づいた。そのため、われわれの研究では、まず指先の形状とその接触面のパラメータを開発して、その指先の柔らかさの手がかりを推定する必要があった」とMeteは説明している。次に、研究チームは様々な材料から柔らかさパラメータを抽出し、両方のパラメータセットをSORIデバイスにマッピングした。

RRLのトレードマークである折り紙ロボットの研究は、再構成可能な環境や触覚ジョイスティックのスピンオフを後押しし、SORIは、より硬く、よりしなやかになるように調整できるモータ駆動の折り紙ジョイントを備えている。接合部の上には、窪みのあるシリコン膜がある。空気の流れが膜を様々な程度に膨らませ、その中心に置かれた指先を包み込む。

SORIは、運動感覚と皮膚の機能性を切り離すことで、牛肉、サーモン、マシュマロなど、様々な素材の柔らかさを再現することに成功した。また、柔らかい素材と硬い素材(マシュマロの上にビスケットをのせたものや、革表紙の本など)を模倣した。ある仮想実験では、SORIは心臓の鼓動の感覚を再現し、柔らかい素材を動かす効果を実証した。

したがって、医療は、この技術の潜在的な応用の主要な分野である。たとえば、医学生にガン性腫瘍を検出するためのトレーニングや、ロボットを使用して手術を行う外科医に重要な感覚フィードバックを提供する。

また、ロボット支援による宇宙や深海の探査など、科学者が発見された物体の柔らかさを遠隔地から感じることができるようになるなど、様々な用途に応用されている。また、SORIは、ロボット支援農業における最大の課題の1つである、柔らかい果物や野菜を潰さずに収穫するという解決策となる可能性を秘めている。

「これは、ロボットの柔らかさセンサとして機能することを意図したものではなく、写真や音楽を送信するのと同じように、『触覚』の感覚をデジタルで転送するためのものだ」とMeteはまとめている。