Робота научили одевать людей
Американские инженеры создали алгоритм для роботов, позволяющий им надевать рукав одежды на человека, не причиняя ему дискомфорт. Алгоритм отслеживает силу, с которой рукав давит на руку человека, и подстраивает движения робота для максимального комфорта. При этом система может эффективно обучаться не только на реальных людях, но и с помощью компьютерной симуляции, рассказывают авторы в статье, которая будет представлена на конференции ICRA 2018.
Инженеры создают роботов не только для военных и промышленных целей, но и для непосредственного взаимодействия с людьми, причем больше всего в таких разработках нуждаются люди с ограниченными возможностями, которым робот мог бы заменить помощника-человека. Как правило, такие роботы предназначены для того, чтобы приносить бытовые предметы людям, испытывающим проблемы с ходьбой по дому или больничной палате. Например, в прошлом году такого робота показала компания Toyota.
Группа инженеров под руководством Чарльза Кемпа (Charles Kemp) из Технологического института Джорджии создала алгоритм для роботов, позволяющий им надевать рукав одежды на человека, отслеживая прилагаемую силу. Алгоритм состоит из нескольких компонентов. Один из них анализирует показания датчиков на конце роботизированного манипулятора и рассчитывает местоположение и величину сил, прилагаемых одеждой к руке человека. Другой компонент прогнозирует, с какой силой одежда будет действовать на руку во время будущих действий. Наконец, еще одна часть алгоритма занимается планированием движений на 0,2 секунды вперед, выбирая из них те, которые приведут к минимальному воздействию на руку, а следовательно, к максимальному комфорту человека. Части алгоритма, отвечающие за расчет текущего усилия и прогнозирование будущего, основаны на долгой краткосрочной памяти (LSTM).
Разработчики обучили алгоритм с помощью симуляции, во время которой он учился методом проб и ошибок. Перед началом каждого цикла тренировки среда случайным образом выбирает начальную позицию манипулятора возле руки, а затем дает алгоритму случайные команды с действиями. За счет тренировки в виртуальной среде алгоритм смог выявить действия, которые могли бы причинить вред добровольцам. Кроме того, это позволило исследователям проводить множество тренировок алгоритма одновременно и тем самым сэкономить время, а также точно измерять силы, воздействующие на все области руки во время натягивания рукава.
После тренировки алгоритма в виртуальной среде разработчики протестировали его на десяти добровольцах с помощью робота Willow Garage PR2, оснащенного манипулятором. Во время испытаний робот должен был предсказать момент, при котором конец рукава прошел через кулак человека, а также полностью надеть рукав, огибая локоть. Исследователи тестировали разные горизонты планирования алгоритма (0,01, 0,05 и 0,2 секунды) и при максимальном из них роботу удавалось выполнить обе задачи в более чем 97,5 процента случаев.
Недавно немецкие инженеры автоматизировали с помощью робота менее важную, но не менее сложную задачу — они научили его приносить пиво из холодильника. Робот может самостоятельно проложить маршрут до холодильника, открыть его, взять запрошенную марку пива, закрыть холодильник и принести напиток человеку.
Григорий Копиев
Его чешуя играет роль нагревательного элемента
Инженеры разработали и испытали прототип миниатюрного робота для биомедицинских целей, который управляется внешним магнитным полем и может выступать как нагревательный элемент в медицинских процедурах. Конструкция робота состоит из гибкого полимера с магнитными частицами и верхнего слоя с чешуей из алюминиевых пластин. Робот может адресно доставлять лекарства, останавливать внутренние кровотечения и помогать удалять опухоли. Статья опубликована в журнале Nature Communications. В последние годы активно развивается направление медицины, связанное с разработкой инструментов для малоинвазивной хирургии и адресной доставки лекарств внутри организма. Для этих задач отлично подходят миниатюрные роботы, управление которыми происходит с помощью внешнего магнитного поля. Оно свободно проникает через биологические ткани и позволяет управлять магнитными объектами в теле пациента с высокой точностью. Кроме контроля за положением инструмента в пространстве, магнитное поле может также использоваться и для его дистанционного нагрева, например, чтобы провести процедуры коагуляции крови для остановки внутренних кровотечений или для уничтожения опухолей. Однако, для этого робот должен иметь проводящие металлические элементы в конструкции, которые способны выделять джоулево тепло при воздействии высокочастотного переменного магнитного поля. Прототип такого робота разработали инженеры под руководством Метина Ситти (Metin Sitti) из Института интеллектуальных систем Общества Макса Планка. Робот имеет прямоугольную форму 10 на 20 миллиметров толщиной 0,2 миллиметра. Он состоит из мягкого полимерного слоя из полидиметилсилоксана с включенными в него магнитными частицами и слоя алюминиевой чешуи толщиной 50 микрометров, которая состоит из вырезанных с помощью лазера пластин, закрепленных на полимерном слое таким образом, что каждый следующий элемент частично перекрывает предыдущий. Размещение металлических элементов, по словам авторов, напоминает расположение пластин, которыми покрыто тело панголина. Такая конструкция позволяет сохранить деформируемость, присущую мягким роботам, и одновременно увеличивает размер дистанционно нагреваемой области. Нагрев пластин свыше 70 градусов Цельсия происходит с помощью переменного электромагнитного поля частотой 344 килогерц за время менее 30 секунд. Помимо медицинского назначения, повышение температуры можно использовать для изменения свойств робота. Например, при нагреве свыше температуры Кюри можно перевести магнитные частицы, заключенные в полимерную матрицу в парамагнитное состояние, и, тем самым, отключить робота. Он больше не будет реагировать на управляющее магнитное поле, которое в это время будет воздействовать, например, на второго робота. Также на лету можно изменять профиль намагниченности — распределение направлений векторов намагниченности частиц вдоль полимерной пластины. С помощью этого можно менять характер движений робота. Например, при гармоническом профиле намагниченности робот во внешнем магнитном поле будет изгибаться, сворачиваясь в трубку. Благодаря этому он может захватывать и перемещать внутри себя объекты. Разработчики провели несколько опытов, используя желудок и кишечник свиньи в качестве модельных объектов, чтобы продемонстрировать биомедицинские возможности нового робота. Например, они показали остановку внутреннего кровотечения из открытой раны с помощью коагуляции крови возле нее нагревом. Другая способность робота заключается в доставке нескольких объектов в разные пункты назначения. Для этого пластины металлического слоя, к которым с помощью пчелиного воска с температурой плавления около 62 градусов Цельсия прикрепляют объекты, должны иметь разную толщину. Тогда они будут нагреваться до температуры плавления воска с разной скоростью, позволяя сбрасывать переносимые грузы отдельно в нужных точках. https://www.youtube.com/watch?v=nczejRLuliU Ранее мы рассказывали о разработанной инженерами MIT системе для дистанционного проведения хирургических эндоваскулярных операций. В ней также используется внешнее магнитное поле для управления магнитным хирургическим инструментом внутри кровеносных сосудов.