Ljudska koža je meka i rastezljiva i ima milione živčanih završetaka koji osjećaju toplinu i dodir. To je čini izvrsnim instrumentom za otkrivanje i reagiranje na vanjski svijet.
Inženjeri već 40 godina rade na reproduciranju ovih sposobnosti u sintetskoj verziji, ali takvi pokušaji nisu uvijek uspjeli zadovoljiti svestranost i prilagodljivost koju ima biološka koža. Nova istraživanja, međutim, dodaju više mogućnosti i složenosti kako bi se ovo područje približilo svojem krajnjem cilju: elektroničkoj koži, ili e-koži, s korištenjem čiji raspon seže od pokrivanja robota do lijepljenja nosivih uređaja na ljude. Jednog bi dana ovi uređaji mogli čak dopustiti ljudima da daljinski upravljaju robotima i “osjete” signale koje roboti otkrivaju.
Razvoj počeo u 80-im godinama 20. stoljeća
“Osamdesetih godina prošlog stoljeća počeli smo viđati neke senzore za dodir koje možete nazvati sirovom verzijom kože”, kaže Ravinder Dahiya, profesor elektronike i nanoinženjeringa i voditelj grupe Bendable Electronics and Sensing Technologies na Sveučilištu u Glasgowu.
Prvi takozvani fleksibilni nizovi senzora izgrađeni su sredinom 1980-ih. Jedan takav niz koristio je Kapton, fleksibilnu, ali ne rastezljivu foliju izumljenu 1960-ih, za podršku rasporedu infracrvenih senzora i detektora. Ta “koža” bila je omotana oko jednostavne robotske ruke, što je omogućilo toj ruci da “pleše” s ljudskom balerinom, ako je balerina bila na 20 centimetara ili manje od te ruke. Ta robotska ruka presvučena umjetnom kožom prožetom senzorima, mogla je osjetiti pokrete balerine i reagirati spontanom promjenom vlastitih radnji.
Ipak, te su sposobnosti još uvijek bile krajnje rudimentarne, u poređenju s onima koje ima biološka koža.
Napredak tokom 2000-ih
“Dostupni materijali i elektronika napredovali su tokom 2000-ih da bi postali mekši, fleksibilniji i, što je najvažnije, rastezljivi. Ta poboljšanja omogućila su naučnicima da ugrade nove senzore i elektroniku u potpuno razvijen sustav kože”, kaže Dahiya.
Sustav uključuje bazu sličnu koži koja se može savijati i rastezati, opremljenu napajanjem, raznim senzorima i načinima slanja informacija senzora središnjem procesoru.
Senzori dodira i temperature prvi su razvijeni za tu vrstu sustava. Wei Gao, biomedicinski inženjer na Kalifornijskom institutu za tehnologiju, odlučio je pokušati kombinirati navedene senzore s onima koji bi mogli otkriti hemikalije.
Gaov laboratorij upotrijebio je inkjet pisač za nanošenje slojeva specijalizirane tinte napravljene od nanomaterijala, mješavine mikroskopskih komadića metala, ugljika ili drugih spojeva, unutar meke hidrogelne baze. Ispisom s različitim nanomaterijalnim tintama, od kojih je svaka formulirana za otkrivanje određene hemikalije, Gaov tim razvio je maske koje mogu osjetiti eksplozive, živčane otrove poput onih koji se koriste u hemijskom ratovanju, pa čak i viruse poput SARS-CoV-2, koji uzrokuje bolest COVID-19.
Gao i njegov tim su također uključili prethodno razvijene senzore pritiska i temperature. Rezultirajuća e-koža izgleda poput prozirnog flastera s metalnim uzorkom ugrađenim u njegovu površinu.
Interakcija čovjeka i mašine
“Također želimo biti sigurni da interakcija čovjeka i mašine može biti uključena”, ističe Gao.
Kako bi to postigli, njegov tim je razvio umjetnu inteligenciju koja bi omogućila vezu između dvije odvojene elektroničke mrlje na koži, jedne na robotu i druge na čovjeku.
Sam proces ispisa kože je skalabilan, pa su naučnici uspjeli ispisati flaster veličine vrha prsta za robotsku ruku i jedan većeg formata za ljudsku podlakticu. Ta je koža omogućila robotu da “osjeti” koliko je čvrsto nešto uhvatio i osjeti je li predmet obložen određenim hemikalijama. U međuvremenu su ljudi stekli mogućnost upravljanja s povezanim robotom izdaleka i osjetiti električne signale robota ako otkrije te hemikalije.
Naučnici napominju da bi takva interakcija jednog dana mogla omogućiti robotu da zamijeni čovjeka na mjestima koja su negostoljubiva za ljude.
Gaov projekt zahtijevao je i vanjski uređaj za obradu podataka senzora e-kože. Korišteno je više slojeva metalne tinte, odnosno slojevi za senzore i stabilnost te za bežični prijenos podataka senzora na obližnji računar ili telefon za prikupljanje i obradu. No to nije jedini način na koji robotska koža analizira informacije koje pokupi. Drugi laboratoriji rade na koži koja sama sortira informacije, slično kao što bi to učinio ljudski živčani sustav.
Koristeći elektroničke građevne blokove, kao što su tranzistori i kondenzatori, kaže, možemo razviti nešto što je analogno perifernom živčanom sustavu. U njegovom sustavu, signal sa senzora mora doseći određeni prag prije nego što se pošalje središnjem procesoru kako bi se smanjila količina podataka koji se šalju u bilo kojem trenutku.
“Ne možete slati neograničene podatke. Ako želite slati velike podatke, onda morate imati neki raspored u kojem podaci mogu stajati u redu i čekati one koji su ispred”, objašnjava Dahiya.
Isto tako ukazuje na senzor dodira koji je razvila njegova grupa i koji koristi sićušne tranzistore, uređaje koji kontroliraju protok električne energije u i od drugih elektroničkih komponenti, kako bi robotskoj koži pomogao da osjeća i uči. Pritisak na tranzistore u koži uzrokuje promjenu električne struje, zbog čega robot “osjeća” pritisak. S vremenom može prilagoditi svoje odgovore količini otkrivenog pritiska.
Sve su to tranzistori slični neuronima, koji mogu učiti, koji se mogu prilagoditi, kaže on. Koža uči robotski ekvivalent boli, dodaje, pa neće odašiljati signal sve dok ne osjeti nešto “bolno”.
Osim za daljinsko upravljanje robotima ili njihovo učenje da se prilagode okolini, elektroničke maske mogle bi imati i mnoge druge primjene.
Moguće promjene
Carmel Majidi, strojarski inženjer na Sveučilištu Carnegie Mellon, čiji je laboratorij specijaliziran za razvoj mekih materijala za elektroniku kompatibilnu s ljudima, predviđa da će e-koža biti dobar senzor za robote, ali i za obične predmete. Mogla bi postati osnova mekih, fleksibilnih dodirnih podloga za interaktivne elektroničke uređaje, na primjer ili za osjetljivu odjeću ili presvlake sposobne detektirati ekstremne temperature i druge uvjete okoline.
“Elektronička koža također bi mogla pomoći u medicini. Ideja je da ove robotske kože kao naljepnice možete staviti na tijelo i odmah pratiti svoje vitalne funkcije”, dodaje Majidi.
Kada je riječ o komercijalnoj upotrebi, trenutni prototipovi e-kože još uvijek imaju problema koje treba riješiti. Trajnost je važna, napominje Gao, no dodaje da bi u sljedećih pet godina moglo biti e-koža u industrijskim okruženjima.
Ograničavajući faktor zapravo nije toliko robotska koža, jer ta tehnologija postoji. Mislim da je to više na potražnji. Još uvijek nemamo robote u domovima ljudi kaže Majidi u vezi s komercijalnom dostupnošću, prenosi Scientific American.