Roboti s umělou kůží pomáhají i s vývojem protéz. Lidem bez rukou vrací hmat

Článek si také můžete poslechnout v audioverzi.

Robotika zažívá v posledních letech výrazný boom. Ani humanoidní roboti, tedy ti podobní lidem, nejsou už ničím výjimečným. Nově už nemusejí být vybaveni jen zrakem díky kamerám, ale také hmatem pomocí umělé kůže. Důvodem není jen exhibice schopností konstruktérů a programátorů či pohled do technologické budoucnosti. Přinášejí i nemalý užitek, a to hned v několika směrech.

Technologie umělé kůže dnes například pomáhají lidem bez rukou. Některé firmy vyvíjejí robotické protetické končetiny, jež by mohly uživatelům vrátit hmat či jemnou motoriku. Stejně jako dát třeba ruce lidem, kteří je měli nevyvinuté od narození.

„Můžete mít například umělou ruku se sérií senzorů a člověku potom připnete na povrch hlavy elektrický senzor. Ten může dávat ruce signály jako ‚otevři‘, ‚zavři‘ a podobně. Neumí to ale dělat složitější povely, protože rozlišení signálu je malé,“ vysvětluje Matěj Hoffmann z katedry kybernetiky na Fakultě elektrotechnické z pražské ČVUT.

Existují také invazivní metody, jak dosáhnout stálého propojení lidské nervové soustavy a robotických končetin. Využívá je třeba americká firma Neuralink Elona Muska. Uživateli se voperuje do hlavy komplexní senzor, a implantát poté sbírá podrobné informace přímo z mozku.

Vše je však ještě ve vývoji, plnohodnotně funkční spojení robota a člověka zatím není k dispozici. Dle Hoffmanna je tu stále řada interakcí, kterým zatím nerozumíme. „Nerozumíme do detailu, jak mozek věci řídí. Sám mozek také neřídí všechno. Část nervových funkcí je schovaná v míše. Máte také řadu uzavřených smyček nervové soustavy…,“ popisuje expert.

Podle něj je možné například vrátit člověku hmat do ruky, ale fenomén hmatu bude dotyčný cítit nikoli na konečcích prstů umělé ruky, ale v malém zařízení například na zádech. „Dá se s tím naučit žít, ale není to stejné jako přirozená končetina,“ vysvětluje Hoffmann. Zdokonalení těchto technologií však je jen otázkou času.

Humanoidní roboti s hmatem mají i další využití. Můžou například nabídnout vhled do procesu, kterým se lidé od dětství učí vnímat své okolí a reagovat na něj. „My tomu říkáme vývojová robotika. Vlastně jsme robota naprogramovali, aby se vyvíjel jako malé dítě. Dáme ho třeba do dětské postýlky a sledujeme, jak si osahává a mapuje své prostředí,“ vysvětluje Matěj Hoffmann.

Takové experimenty pomáhají vědcům s pochopením vývoje dětí. Společně s psychology pozorují malé děti, a poté jejich pohyby replikují s vlastním robotem. Na mapování vývoje mozku za pomoci malých dětí vědci z laboratoře na ČVUT spolupracují také s biology či s experty na neurovědu.

Robot s možností interakce s okolím využívá hlavně dva smysly – zrak a hmat. Právě k hmatu slouží umělá kůže, která pokrývá celé tělo robota. Díky této kůži dokáže například zaznamenat, když do něčeho nebo někoho narazí. Může tedy získat vjemy i z míst, kam jeho „oči“ nevidí.

Přístup, kdy se robot sám postupně vyvíjí, je běh na dlouhou trať, ale vyplatí se. „Už dnes můžeme ten ‚vývojový‘ přístup přeskočit a rovnou do robota naprogramovat podrobné instrukce. Ty ale nikdy nebudou tak komplexní a budou neustále závislé na konkrétním kontextu situace,“ tvrdí Hoffmann.

Pokud si robot projde vývojovými fázemi, stejně jako malé dítě, budou jeho modely komplexní a bude schopen se kontextu sám přizpůsobit. „Momentálně jsme, co se inteligence týče, na úrovni ročního, možná dvouletého dítěte,“ informuje expert z ČVUT.

Do budoucna si Hoffmann představuje, že by humanoidní roboti mohli běžně interagovat s lidmi a pomáhat například jako společníci, pečovatelé. „Jak má ale robot dělat specifickou fyzickou činnost, jako například pomoci seniorovi se obléct? K tomu bude potřebovat určitou sílu, zručnost a musí znát kontext situace. K tomu, myslím, dnes směřujeme. Není to ale něco, čeho bychom dosáhli za dalších pět let,“ myslí si odborník.

Zatímco třeba v případě umělé inteligence je vidět až překotný vývoj, u robotů je proces pomalejší a výrazně nákladnější. Proto se jim nemůže věnovat kdekdo. „Ne každá laboratoř si může dovolit nakoupit takové senzory, jako tady máme my. Například hydrogelové kůže u nás neumí vyrobit nikdo. Museli nám je poslat kolegové z Číny,“ říká Hoffmann (o hydrogelových kůžích níže v článku).

Laboratoře potřebují roboty sestavit, k čemuž je nutné mít zkušené odborníky a drahý materiál. Robotický prototyp také prochází řadou testování a experimentů a vědci ho musejí pořád opravovat. „Musíte mít třeba robustní konstrukci. Ten náš robot například neustále něco ‚chňapá‘. Jeho ruce jsou také velice delikátní a je tam spousta malých a ne vždy dlouhodobě spolehlivých součástek, které musíme měnit,“ popisuje expert.

Kůži na humanoidním robůtkovi, kterého používají na katedře kybernetiky, tvoří velké množství kovových senzorů. Ty přesně měří, které specifické senzory jsou zrovna v kýžený moment stlačeny. Způsobů, jak k tvorbě kůže přistupovat, je více a každý se hodí k jinému využití.

„Můj kolega zrovna tvoří kůži metodou elektrické impedanční tomografie (využívá nízkofrekvenční elektrický proud, používá se nejčastěji v lékařství – pozn. red.). Senzory jsou zabudované v hydrogelové kapsli a měří, jak se mění vodivost v místech, ve kterých je kůže stlačena. Tím dokážete měřit nejen, kde došlo ke kontaktu, ale také měříte jeho sílu, tlak a rozložení,“ vysvětluje expert.

Díky hydrogelovému obalu je poté možné vytvořit větší oblast kůže, která by mohla robota pokrývat. Hoffmann ale podotýká, že se tato technologie nehodí na jemnou motoriku.

Jiným typem umělé kůže je AirSkin. Využívá se už nyní v tovární výrobě a funguje podobně jako duše v cyklistickém kole. Dokáže pokrýt velké části robotů a je opravdu měkká. „Robot nemusí být zavřený v kleci, ale je normálně součástí výroby a mohou kolem něj chodit lidé. Když do vás narazí, okamžitě se zastaví a vás to nebolí,“ vysvětluje Hoffmann. Tato kůže neposkytuje podrobné informace jako ta hydrogelová, ale zato je citlivá a odolná vůči požkození.

Dalším populárním typem robotické kůže je ta využívající optické senzory, tedy malé kamery ukryté pod vrstvou silikonu. „Senzory dokážou přesně zmapovat deformaci povrchu té kůže. Povrch je navíc podsvícen v RGB spektru, do kterého se dotyk detailně promítne, takže můžeme jasně vidět rozdílnou formu deformace,“ tvrdí expert z ČVUT.

„Můžete si všimnout, že ten senzor je ve tvaru lidského prstu, a to je i ta idea. Jednou by měl být součástí robotické ruky,“ představuje Hoffmann. Podotýká ale, že tento samotný senzor nedokáže splnit všechny funkce, které lidská ruka má. Informace z optického senzoru jsou sice velice podrobné, ale hodí se jen k pokrytí malé části těla, kde musí aktivně snímat okolí.

„Naopak u jiných druhů kůže můžete snímat pasivně velkou plochu ve vyšší frekvenci, takže je ta reaktivita rychlejší a efektivnější. Zase ale není v takovém detailu jako u optických senzorů. Vždy tedy v praxi musíte počítat s tím, že musíte něco upřednostnit,“ doplňuje.

Senzor dokáže do detailu nasnímat, který objekt se jej zrovna dotýká. Může to být třeba klíč, nehet, klíčenka nebo cokoliv jiného.