Sztuczna skóra i sensory przyszłości: od mechanoreceptorów do robotów opiekuńczych

Roboty potrafią dziś postrzegać świat z łatwością, która kiedyś wydawała się możliwa jedynie w science fiction. Rozpoznają obiekty, poruszają się w zagraconych przestrzeniach i sortują tysiące paczek na godzinę. Ale gdy poprosić je, by dotknęły czegoś delikatnie, bezpiecznie lub w sposób znaczący, ich ograniczenia stają się natychmiast widoczne

Perla Maiolino

Jako badaczka robotyki miękkiej, pracująca nad sztuczną skórą i czujnikami dla robotycznych ciał, przekonałam się, że próba wyposażenia robotów w zmysł dotyku zmusza nas do skonfrontowania się z tym, jak zadziwiająco wyrafinowany jest ludzki dotyk. Moje badania zaczęły się od pozornie prostego pytania: jak roboty mogłyby odbierać świat poprzez własne ciała? Opracować czujniki dotykowe, pokryć nimi maszynę, przetwarzać sygnały – i w pierwszej chwili mogłoby się wydawać, że w ten sposób uzyskamy coś, co przypomina dotyk.

Jednak ludzki dotyk nie ma nic wspólnego z prostą mapą nacisku. Nasza skóra zawiera kilka różnych typów mechanoreceptorów, z których każdy reaguje na inne bodźce, takie jak wibracje, rozciąganie lub tekstura. Mamy niezwykle wysoką rozdzielczość przestrzenną, a co najważniejsze, dotyk jest aktywny: naciskamy, przesuwamy i dostosowujemy ruchy, przekształcając surowe odczucia w percepcję poprzez dynamiczną interakcję.

Inżynierowie potrafią czasem odtworzyć niewielki fragment tej funkcjonalności, na przykład w obszarze opuszka palca. Ale zreplikowanie jej w całym miękkim ciele robota oraz stworzenie systemów, które potrafiłyby interpretować tak złożony strumień danych sensorycznych, to wyzwanie o zupełnie innym stopniu trudności.

Praca nad sztuczną skórą szybko ujawnia też inną prawdę: duża część tego, co nazywamy „inteligencją”, nie znajduje się wyłącznie w mózgu. Biologia dostarcza tu fascynujących przykładów, a najbardziej znanym jest ośmiornica. Ośmiornice rozmieszczają większość neuronów w swoich ramionach. Badania ich zachowania ruchowego pokazują, że pojedyncze ramię może generować i modyfikować wzorce ruchowe lokalnie, w odpowiedzi na bodźce sensoryczne, przy minimalnym udziale mózgu.

Ich miękkie, podatne ciała bezpośrednio wpływają na sposób działania w środowisku. I właśnie ten rodzaj rozproszonej, ucieleśnionej inteligencji – w której zachowanie wynika ze współdziałania ciała, materiału i otoczenia – zdobywa coraz większe znaczenie w robotyce.

Dotyk jest pierwszym zmysłem, który rozwija się u człowieka w łonie matki. Badania neurobiologiczne pokazują, że wrażliwość dotykowa pojawia się około ósmego tygodnia ciąży, a w drugim trymestrze rozprzestrzenia się po całym ciele. Na długo przed tym, zanim wzrok czy słuch zaczną działać, płód poznaje otoczenie poprzez dotyk. Uważa się, że pomaga to kształtować rozumienie ciężaru, oporu i podparcia – podstawowych zasad fizycznego świata.

To ma znaczenie również dla robotyki. Przez dziesięciolecia roboty polegały głównie na kamerach i lidarach, unikając fizycznego kontaktu. Ale nie możemy oczekiwać, że maszyny osiągną ludzką sprawność w świecie fizycznym, jeśli rzadko doświadczają go poprzez dotyk. Symulacje mogą nauczyć robota wielu zachowań, ale bez rzeczywistej eksploracji fizycznej ryzykują jedynie odtwarzaniem tego, co „zaprogramowano”, zamiast prawdziwego uczenia się. Aby uczyć się tak jak ludzie, roboty potrzebują ciał, które czują.

Inteligentne ciała

Jednym z podejść, które badamy w mojej grupie, jest nadanie robotom pewnego stopnia „lokalnej inteligencji” w ich czujnikowych ciałach. Ludzie korzystają z podatności tkanek miękkich: skóra odkształca się tak, aby zwiększyć przyczepność, poprawić tarcie i filtrować sygnały sensoryczne jeszcze zanim dotrą  do mózgu. To forma inteligencji zakorzeniona bezpośrednio w anatomii.

Badania nad robotyką miękką i tzw. obliczeniami morfologicznymi sugerują, że ciało może przejmować część pracy mózgu. Budując roboty z miękkimi strukturami i systemami niskopoziomowego przetwarzania, które pozwalają im dostosowywać chwyt lub postawę na podstawie dotykowych informacji zwrotnych bez oczekiwania na centralne polecenia, chcemy tworzyć maszyny mogące bezpiecznie i naturalnie oddziaływać z otoczeniem.

W przyszłości roboty o bezpiecznych, wrażliwych ciałach mogłyby pomóc w rosnących potrzebach w zakresie opieki społecznej. Wraz ze starzeniem się społeczeństw wiele rodzin nagle staje przed koniecznością podnoszenia, podtrzymywania lub przestawiania bliskich bez formalnego przeszkolenia. „Roboty opiekuńcze” mogłyby wspierać w tych zadaniach i sprawiać, że osoby starsze mogłyby dłużej pozostawać w domach.

Roboty, które troszczą się o ludzi

Zaskakująco jednak rozwój tego typu robotów postępuje znacznie wolniej, niż sugerowały wczesne przewidywania, nawet w Japonii, która wprowadziła pierwsze prototypy. Jednym z najbardziej zaawansowanych jest Airec, humanoidalny robot opracowywany w ramach rządowego programu Moonshot, mającego wspierać zadania pielęgnacyjne. To szeroki program badawczo-rozwojowy, którego celem jest stworzenie społeczeństwa, w którym „ludzie będą wolni od ograniczeń ciała, mózgu, przestrzeni i czasu do 2050 r.”

Na całym świecie jednak komercjalizacja tego rodzaju robotów wciąż napotyka duże trudności. Wysokie koszty, rygorystyczne wymogi bezpieczeństwa oraz brak przejrzystych modeli biznesowych spowalniają postępy. Mimo to techniczne i regulacyjne bariery są stopniowo przezwyciężane.

Roboty, które mają dzielić z ludźmi bliską przestrzeń, muszą czuć i modulować sposób, w jaki dotykają wszystkiego, co styka się z ich ciałem. Taka pełnocielesna wrażliwość będzie odróżniać następną generację robotów miękkich od dzisiejszych maszyn sztywnych.

Wciąż jesteśmy daleko od robotów zdolnych wykonywać intymne zadania opiekuńcze samodzielnie. Jednak prace nad maszynami wyposażonymi w zmysł dotyku już teraz zmieniają nasze rozumienie dotyku. Każdy krok w kierunku robotycznej inteligencji dotykowej podkreśla niezwykłą złożoność naszych własnych ciał oraz głębokie powiązanie między czuciem, ruchem a tym, co nazywamy inteligencją.

Perla Maiolino – profesor nadzwyczajna inżynierii na University of Oxford, członkini Oxford Robotics Institute. Specjalizuje się w robotyce miękkiej i sztucznej skórze. Artykuł powstał we współpracy z programem Professors’ Programme / Prototypes for Humanity. Finansowanie: UKRI EPSRC, EU Horizon Europe.

Tekst został pierwotnie opublikowany w serwisie The Conversation.

• aktualności
• Nauki techniczne
• popularyzacja