Умное и устойчивое искусственное осязание благодаря ИИ: исследования для чувствительных роботов и протезов

Никогда не стоит недооценивать осязание: оно позволяет нам познавать мир и устанавливать связи. Инновационная биовдохновленная тактильная система, разработанная итальянскими и швейцарскими учеными, стремится воспроизвести эти ощущения, используя интеллектуальный и энергоэффективный подход. Эта система способна имитировать восприятие и обработку человеческого прикосновения, значительно снижая при этом энергопотребление. Прототип описан в исследовании, опубликованном в журнале ‘Nature Communications’.

Этот проект, координируемый Высшей школой Сант-Анна в Пизе в сотрудничестве с STMicroelectronics, Цюрихским университетом и Федеральной политехнической школой Цюриха, представляет собой прорыв в исследованиях искусственного осязания. Его основная цель — создание роботов и интеллектуальных машин, способных безопасно и эффективно взаимодействовать с окружающей средой и людьми, а также разработка нейропротезов для ампутантов.

Проект возглавляет Калоджеро Оддо, профессор и руководитель Лаборатории нейро-роботического осязания Высшей школы Сант-Анна. Он является "отцом" особой искусственной кожи, разработанной в лаборатории, которая способна воспринимать прикосновение, тепло и боль, подобно бионической руке Люка Скайуокера из "Звездных войн".

Искусственная кожа, датчики и ИИ

Система включает в себя искусственную кожу с оптическими датчиками, которые имитируют поведение тактильных рецепторов человеческой кожи, а также биовдохновленную нейронную архитектуру. Отклики, генерируемые датчиками, обрабатываются нейронной сетью, которая воспроизводит работу человеческой нервной системы благодаря специальному процессору.

Такой подход делает обработку тактильных сигналов более точной по сравнению с традиционными методами искусственного интеллекта, а также значительно повышает энергоэффективность. По словам авторов, это исследование "открывает путь для нового поколения эффективных и энергоэкономичных сенсорных систем в робототехнике будущего".

"Осязание — это особенно сложный процесс, поскольку оно является результатом физического, распределенного и меняющегося во времени взаимодействия между человеческим телом и окружающей средой, — комментирует Оддо, — и многие фундаментальные научные вопросы до сих пор остаются без ответа. Это исследование демонстрирует прикладной потенциал нейробиологических исследований осязания, в том числе в сотрудничестве между университетами и такой инновационной компанией, как STMicroelectronics, оказывая влияние на развитие нейротехнологий для бионики, медицинской, сервисной и промышленной робототехники".

По словам Джакомо Индивери из Института нейроинформатики (UZH и ETHZ) и соавтора исследования, "ключевой аспект заключается в биофизически реалистичном подходе 'Нейро-ИИ', который был использован для разработки биологически правдоподобной (то есть 'биомиметической') модели нейронной сети, изначально смоделированной на компьютере".

Перспективы для сверхчувствительных протезов и гуманоидных роботов

Если в будущем роботы будут все чаще взаимодействовать с людьми, эта технология может быть использована для разработки бионических нейропротезов, коллаборативных и гуманоидных роботов. Распространение тактильных датчиков на больших поверхностях при сохранении крайне низкого энергопотребления является решающим шагом к созданию по-настоящему эффективных и устойчивых роботов, в том числе для имплантируемых, носимых и мобильных применений.

В то время как современные системы ИИ требуют все больше энергии, принципы, продемонстрированные в этом исследовании, указывают на возможное изменение парадигмы, вдохновленное не только возможностями человеческого мозга, но, прежде всего, его исключительной эффективностью.

Как объясняет Андреа Ортоне, первый автор исследования и докторант Высшей школы Сант-Анна, "главной задачей было преобразование распределенной и динамической природы тактильного восприятия в эффективную искусственную систему: этот результат был достигнут благодаря тесной интеграции датчиков, нейронного моделирования и нейроморфного оборудования в рамках унифицированной спайковой архитектуры". Кроме того: "Искусственная тактильная чувствительность точна и эффективна, основана на аналоговых цепях, имитирующих биологические нейроны для декодирования внешних стимулов с резко сниженным энергопотреблением по сравнению с обычным искусственным интеллектом".

"Нейроинспирированные архитектуры искусственного интеллекта, разработанные в ходе этого исследования, — предсказывает Оддо, — в будущем будут интегрированы в роботов и интеллектуальные машины, способные эффективно, безопасно и устойчиво взаимодействовать и сотрудничать с другими машинами, с окружающей средой и с людьми".

Джузеппе Дезоли, соавтор исследования, научный сотрудник компании и директор по исследованиям и разработкам архитектур ИИ в STMicroelectronics, не сомневается в значимости этой работы: "Она описывает революционную технологию, призванную сыграть ключевую роль в будущей интеграции сверхнизкопотребляющих датчиков со встроенным интеллектом, позволяя датчикам предоставлять семантически значимую информацию, а не необработанные данные, благодаря алгоритмам и архитектурам, вдохновленным биологией".

Чрезвычайно низкое энергопотребление, длительный срок службы батареи и уменьшенный объем передаваемых данных являются сильными сторонами этого исследования, которое обещает изменить ситуацию.