Robôs capazes de “ver” o toque graças a um sensor revolucionário que muda de cor

Investigadores desenvolveram um sensor tátil que muda de cor quando sujeito a pressão. Esta tecnologia converte o contacto em padrões coloridos visíveis, captados por uma simples câmara USB, sem necessidade de cálculos complexos.

Os investigadores preveem aplicações na robótica de precisão, em próteses e na cirurgia assistida.

Um material que transforma a pressão em cor

Giacomo Sasso é investigador de pós-doutoramento na Escola de Engenharia e Ciência dos Materiais da Queen Mary University of London. Em conjunto com James Busfield, professor da mesma universidade, e Federico Carpi, professor da Universidade de Florença, desenvolveu um material flexível que reage à pressão mudando de cor.

Uma câmara USB grava esta reação e reproduz imediatamente um mapa detalhado da pressão, sem recorrer às redes de sensores eletrónicos utilizadas até agora nas pinças robóticas. O material produz padrões coloridos assim que uma força entra em contacto com a sua superfície.

Os trabalhos, publicados na revista Science Advances, apresentam uma resolução próxima dos 100 micrómetros, suficiente para distinguir as cristas de uma impressão digital humana.

(A a C) Diagramas que comparam os métodos tradicionais de deteção tátil baseados em visão com a nova tecnologia mecano-crómica. (D) Exemplo da integração do sensor mecano-crómico na ponta de um dedo robótico. (E) Protótipo do dedo robótico com uma camada elastomérica transparente revestida pelo sensor mecano-crómico. (F) Imagens captadas pela câmara interna durante testes com uma moeda de um penny e respetivos mapas 3D da pressão aplicada. O vídeo S1 mostra a deteção tátil em tempo real.

Como funciona esta pele artificial

Duas camadas de silicone flexível envolvem um refletor de Bragg extensível, uma estrutura que reflete determinados comprimentos de onda consoante a sua espessura. Quando um dedo ou um objeto pressiona esta pele artificial, a pressão comprime localmente as camadas e altera o espaçamento interno da estrutura.

A luz passa então a refletir-se de forma diferente e a zona tocada muda de tonalidade em tempo real. Este fenómeno, conhecido como cor estrutural, já existe na natureza. As asas de algumas borboletas e as penas do pavão devem o seu brilho ao mesmo princípio ótico, sem recorrer a qualquer pigmento colorido.

Uma câmara USB grava depois a superfície e associa cada tonalidade a um determinado nível de pressão. Num dedo humano, este método produziu um mapa das cristas de uma impressão digital com uma resolução próxima dos 100 micrómetros, aproximadamente o diâmetro de um cabelo.

Uma moeda de um penny e uma folha de árvore também foram utilizadas nos testes, obtendo o mesmo nível de detalhe. Os sensores táteis baseados em visão já existiam, mas necessitavam de efetuar cálculos complexos para reconstruir um mapa tridimensional do contacto a partir da imagem captada.

Esta etapa de reconstrução introduzia sempre um pequeno intervalo entre o contacto e a sua leitura.

(A) Estrutura do sensor mecano-crómico nos estados sem pressão e comprimido. (B) Funcionamento do material mecano-crómico como um refletor de Bragg extensível. (C) Testes de tração que mostram a mudança de cor do material à medida que é deformado. (D a F) Testes de mapeamento do contacto em diferentes superfícies (dedo, moeda e folha), com imagens originais, mapas 2D e 3D da pressão e gráficos da deformação do material.

Aplicações na robótica, próteses e cirurgia

Uma pinça robótica revestida com este material poderá montar componentes microscópicos sem os danificar, uma vez que revela cada variação da força antes da rutura. Da mesma forma, uma prótese equipada com esta pele artificial poderá transmitir ao utilizador uma sensação de contacto mais rica, gesto após gesto.

Na cirurgia, um instrumento revestido com este material poderá distinguir tecido saudável de um tumor, uma vez que ambos produzem assinaturas coloridas diferentes quando sujeitos à pressão.

Uma abordagem diferente aos sensores táteis

Segundo Giacomo Sasso, uma mão humana possui mais de dez mil mecanorreceptores, e a robótica continua à procura de uma solução equivalente. O investigador optou por deslocar a deteção para o interior do próprio material, em vez de recorrer a redes de sensores sobrepostas.

De acordo com James Busfield, a informação já está contida no sinal luminoso. Assim, o sistema observa diretamente o contacto, em vez de o reconstruir.

Um projeto desenvolvido por várias universidades

A equipa inclui ainda investigadores da Universidade de Trento, da Universidade de Trieste e da Universidade de Florença, onde trabalha Federico Carpi. Este trabalho prolonga vários anos de investigação sobre sensores extensíveis e polímeros, uma área em que a Queen Mary já tinha explorado o desenvolvimento de pele eletrónica para robôs e próteses.

Os sistemas convencionais baseados em vídeo ofereciam boa resolução, mas perdiam velocidade devido aos cálculos necessários. Já os sensores táteis baseados em taxels reagiam rapidamente, mas nunca conseguiam atingir o mesmo nível de detalhe.

Atualmente, os sensores tradicionais de taxels estão limitados a cerca de um milímetro de resolução, mesmo com o apoio de técnicas de aprendizagem profunda.