Новый программируемый сенсор позволяет преобразовывать тактильные ощущения в роботизированные действия без использования электроники.

Мягкие роботы, созданные из гибких, податливых материалов, приобретают все большее значение для решения задач, начиная от малоинвазивной хирургии и заканчивая глубоководными исследованиями, но их развитие по-прежнему сдерживается фундаментальным ограничением. Для восприятия окружающей среды и реагирования большинство мягких роботов используют отдельные электронные датчики, схемы обработки сигналов и приводы с электроприводом, координируемые компьютерами. Эта цепочка компонентов увеличивает вес, сложность и количество точек отказа, особенно во влажных, жарких или условиях высокого давления, где электроника очень восприимчива к сбоям.

Исследовательская группа Колледжа дизайна и инженерии Национального университета Сингапура (NUS CDE) разработала механический мягкий датчик силы, который полностью исключает электронную цепь. Датчик преобразует приложенную силу непосредственно в поток жидкости, который приводит в движение исполнительные механизмы, создавая полный цикл «от датчика к действию» без вычислений или внешнего источника энергии. Такой подход может привести к созданию мягких роботов, которые будут проще в изготовлении и способны работать в условиях, где традиционная электроника не подходит.

Профессор Бенджамин Ти с кафедры материаловедения и инженерии и профессор Сесилия Ласки с кафедры машиностроения, оба из NUS CDE, возглавили исследование, результаты которого были опубликованы в журнале Science Advances 8 июля 2026 года. Их датчик, получивший название ME-SOFS (механический мягкий силовой датчик), использует чисто механическую структуру для обнаружения и разделения многоосевых сил и их прямого преобразования в гидравлическое воздействие.

Как работает датчик

ME-SOFS — это мягкая пористая структура, созданная методом 3D-печати, которая состоит из центральной опоры, соединенной с пятью смежными заполненными жидкостью камерами: четырьмя, расположенными горизонтально, и одной, расположенной вертикально. При приложении силы опора наклоняется в этом направлении, сжимая соответствующие камеры и подавая жидкость по мягким трубкам к исполнительным механизмам на другом конце. Каждая камера реагирует независимо, и датчик может обнаруживать и разделять силы в трех направлениях: горизонтальном, боковом и вертикальном.

Физическое воздействие на датчик преобразуется в движение жидкости, а это движение жидкости — в привод, без промежуточного электронного преобразования. Для получения читаемого электрического сигнала наряду с этим механическим выходным сигналом команда внедрила пассивную схему: вытесняемая жидкость перемещает небольшие магниты мимо металлических дуг, напечатанных на 3D-принтере, а изменяющийся магнитный поток индуцирует импульсы напряжения — тот же принцип, что и в велосипедном динамо-генераторе, генерирующем электричество от вращения колеса. Количество импульсов напрямую соответствует величине приложенной силы, обеспечивая измеримые показания без необходимости использования электроники с питанием.

Поскольку конструкция датчика определяется регулируемыми геометрическими параметрами, в первую очередь диаметром отверстия, толщиной и углом наклона центральной пены, его чувствительность может быть настроена для решения различных задач простым изменением чертежа, напечатанного на 3D-принтере.

«Мы выбрали уникальный подход, вдохновившись способностью природы масштабировать тактильные датчики в самых разных средах, используя лишь клетки, которые по сути являются в основном жидкостью. Мы задались вопросом, может ли заполненный жидкостью канал не только воспринимать прикосновение, но и напрямую передавать тактильную обратную связь другому человеку. Оказалось, что такая архитектура конструкции может быть реализована с исключительной надежностью и может использоваться для обучения роботов для физических приложений искусственного интеллекта», — сказал Ти.

Высокая универсальность

Чтобы продемонстрировать универсальность датчика, команда интегрировала его в несколько роботизированных платформ. Мягкая перчатка с пятью миниатюрными блоками ME-SOFS, каждый размером примерно с зелёную горошину, была напечатана на 3D-принтере в одном непрерывном процессе из одного материала, без ручной сборки. Надетая на руку, перчатка определяла силу захвата на каждом кончике пальца и прогнозировала вес удерживаемых объектов, что указывает на возможности её применения в протезировании и взаимодействии человека с машиной.

Команда также подключила датчик к мягкой тактильной подушечке, надеваемой на кончики пальцев человека, создав систему тактильной обратной связи. Оператор, с закрытыми глазами, управлял захватом роботизированной руки исключительно на ощупь: сила, регистрируемая в захватном устройстве, передавалась в виде давления жидкости на подушечку, давая оператору непосредственное ощущение того, насколько крепко робот держит различные предметы, от яйца до деревянных брусков и наполовину наполненной бутылки с водой. Затем сигналы, записанные во время успешного захвата, воспроизводились, чтобы научить робота автономно воспроизводить движение, демонстрируя, как датчик может как передавать тактильные ощущения в реальном времени, так и собирать данные для последующего обучения.

Тот же самый контур «от датчика к действию» также управлял отдельными каплями жидкости через миниатюрный контроллер потока жидкости без какого-либо программного обеспечения — что актуально для портативной медицинской диагностики — и приводил в действие набор гибких структур, похожих на волоски, которые изгибались в ответ на направление и силу обнаруженной силы.
Новый программируемый сенсор позволяет преобразовывать тактильные ощущения в роботизированные действия без использования электроники.

Датчик ME-SOFS демонстрировал стабильную работу в горячей воде (90°C (194°F)) и под высоким давлением, эквивалентным примерно 11 метрам (36 футам) на глубине. Его открытые каналы для жидкости выравнивают давление с окружающей водой, поэтому датчик считывает только приложенную силу, а не условия окружающей среды. Он также не содержит электронных компонентов, поэтому не подвержен электромагнитным помехам, которые могут нарушать работу обычных датчиков.

«Эта работа представляет собой яркий пример того, как физическое тело само по себе может воспроизводить сенсомоторное поведение без необходимости в системе управления, что можно рассматривать как аналогию с нервной системой в биологии. Эта форма воплощенного интеллекта, то есть механический интеллект, заложенный в самом теле, широко наблюдается в природе, среди различных видов и царств», — сказал Ласки.

Дальнейшая работа включает в себя изучение разнообразных применений благодаря масштабируемости системы по силе воздействия и миниатюризации. Прямой контур «датчик-воздействие» может быть легко интегрирован в тело мягкого робота, что позволит интеллектуальному агенту демонстрировать почти инстинктивное поведение в динамически изменяющихся взаимодействиях. Динамические сигналы, генерируемые ME-SOFS, также содержат более полную информацию о приложенных силах, чем простые подсчеты импульсов, что может быть использовано для более тонкого измерения в сложных роботизированных взаимодействиях.

Соавтор исследования, доктор Ян Келу, научный сотрудник кафедры материаловедения и инженерии, сказал: «Преобразуя силу непосредственно в действие, без использования электроники или процессора, ME-SOFS имеет широкий спектр потенциальных применений. В медицинском обучении это может позволить обучающимся ощущать ту же обратную связь по силе, что и эксперт, выполняющий сложное движение. В роботизированном уходе за пожилыми людьми это может помочь роботизированной руке реагировать почти как рефлекс, ощущая внезапное увеличение нагрузки при падении и немедленно обеспечивая более сильную поддержку. Именно эта прямая реакция «от ощущения к действию» делает систему особенно перспективной для мягких роботов, которым необходимо безопасно взаимодействовать с людьми».

Читать полностью на источнике