유연한 이중 모드 감각 인터페이스를 통한 소프트 로봇의 터치리스 대화형 교육

Nature Communications 13권, 기사 번호: 5030(2022) 이 기사 인용

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본 논문에서는 소프트 로봇이 맨손을 사용하여 숙련된 운동을 수행하도록 대화형으로 교육하기 위한 다중 모드의 유연한 감각 인터페이스를 제안합니다. 먼저, 촉각과 비접촉 센싱을 동시에 수행하고 두 모드를 실시간으로 구분할 수 있는 마찰전기 나노발전기와 액체 금속 센싱을 기반으로 하는 유연한 이중 모드 스마트 피부(FBSS)를 개발합니다. FBSS를 사용하면 소프트 로봇이 촉각 및 비접촉 자극에 스스로 반응할 수 있습니다. 그런 다음 맨손과 눈의 협응을 통해 인간이 소프트 로봇의 움직임을 가르칠 수 있는 거리 제어 방법을 제안합니다. 결과는 참가자들이 단 몇 분 내에 "센서 이동 및 교육" 방법을 통해 3차원 공간에서 자체 반응하는 소프트 연속체 조작기의 복잡한 동작을 효과적으로 교육할 수 있음을 보여주었습니다. 소프트 매니퓰레이터는 인간이 학습한 동작을 반복하고 다양한 속도로 재생할 수 있습니다. 마지막으로, 우리는 인간이 펜과 종이 미로 완성, 인후 면봉 채취, 장벽을 넘어 물체 파악과 같은 특정 작업을 완료하도록 소프트 매니퓰레이터를 쉽게 가르칠 수 있음을 보여줍니다. 우리는 유연한 다중 모드 감각 인터페이스를 기반으로 한 사용자 친화적이고 프로그래밍이 불가능한 교육 방법이 인간이 소프트 로봇과 상호 작용하고 활용하는 영역을 광범위하게 확장할 수 있다고 생각합니다.

소프트 로봇은 실제 응용 분야에서 엄청난 잠재력으로 인해 점점 더 많은 주목을 받고 있습니다1,2,3,4,5,6,7,8. 소프트 로봇은 순응성이 높기 때문에 다양한 환경에서 인간과 안전하게 상호 작용할 수 있는 견고한 로봇에 비해 특별한 이점을 가지고 있습니다9,10,11,12,13. 그러나 소프트 로봇은 모델링 및 프로그래밍이 어렵기 때문에 비전문가는 특정 동작을 달성하고 특정 작업을 수행하기 위해 소프트 로봇을 사용할 때 무시할 수 없는 장애물에 직면하는 경우가 많습니다. 소프트 로봇의 움직임 패턴을 효율적이고 유연하게 "교육"할 수 있는 대화형 교육 방법은 집, 생산 라인 및 기타 비구조적 환경에서 인간 사용자에게 큰 이점을 제공할 것입니다(그림 1). 견고한 로봇과 달리19,20,21 인간 상호 작용을 통해 소프트 로봇의 교육을 보여주는 연구는 거의 없습니다. 이는 인간 상호 작용을 통해 소프트 로봇 교육을 달성하는 데 두 가지 주요 과제가 있기 때문입니다. 이 프로세스에는 (1) 소프트 로봇과 인간 시연자 간의 상호 작용을 위한 다중 모드, 다용도 및 견고하고 유연한 감지 장치가 필요합니다. (2) 인간 시연자의 지시를 소프트 로봇에 전달하는 사용자 친화적이고 프로그래밍이 불가능한 교육 방법입니다.

인간은 터치 없는 방식으로 로봇을 조작하여 로봇이 다양한 작업을 수행하도록 "가르칠" 수 있습니다.

첫 번째 과제와 관련하여 대부분의 이전 연구는 물리적 접촉에만 반응하고 비접촉 자극에는 반응하지 않는 소프트 로봇에 대한 촉각 감지에 중점을 두었습니다. 접촉 전기화와 정전기 유도의 결합 효과를 활용하는 마찰전기 나노발전기(TENG)는 촉각 자극과 비접촉 자극을 모두 전기 신호로 변환할 수 있습니다. TENG를 기반으로 한 마찰 전기 센서는 광범위한 재료 구성(예: 낮은 영률에서 높은 영률까지), 쉽게 제작할 수 있는 간단한 구조, 높은 감도 및 빠른 응답 시간으로 인해 소프트 로봇에 고유한 이점을 제공합니다27,28,29,30,31 ,32. 유연한 마찰전기 재료와 구조를 활용한 이전 연구는 압력 및 응력 감지 분야에서 놀라운 발전을 이루었습니다. 터치리스 센싱을 탐구하는 예비 작업도 등장했습니다39,40,41,42. 그러나 촉각 자극과 비접촉 자극은 전기적 변화에서 동일한 경향을 나타내기 때문에 마찰 전기 센서가 실시간으로 촉각 신호와 비접촉 신호를 정확하게 구별하는 것은 어렵습니다(보조 그림 1A, B 및 보충 영화 1). 따라서 촉각 및 비접촉식 실시간 감지가 가능한 유연한 마찰전기 센서에 대한 연구가 계속 진행되고 있으며, 이는 소프트 로봇 대화형 교육의 새로운 패러다임을 위한 연구 기반을 마련할 수 있습니다.