Благодаря новой искусственной коже роботы смогут различать предметы неживой природы и живые организмы. Это напоминает тактильные ощущения человека. Для определения, что находится перед машиной – живое или неживое, достаточно простого прикосновения. Используя такую кожу, «умные» устройства смогут проводить подводную разведку месторождений полезных ископаемых, участвовать в их добыче, очищать океан от мусора без нанесения вреда морским обитателям.
Около 70% поверхности Земли занимают водные пространства, преимущественно океаны, выполняющие ключевую функцию в поддержании глобального климата. Они являются незаменимыми поглотителем углерода: они поглощают девятьдесят процентов избыточного тепла, образующегося в процессе выбросов углекислого газа, и производят половину кислорода, который нам необходим.
Кроме того, океаны — это дом для подавляющего большинства флоры и фауны планеты; там обитают тысячи видов живых организмов. Еще в океанах хранится большое количество ценных минеральных ресурсов: запасы нефти, газа, алмазов, золота, платины.
Постепенное исчерпание полезных ископаемых, расположенных на поверхности суши, заставляет геологов все чаще рассматривать возможность разработки ресурсов, находящихся на океанском дне. Однако до природных богатств Мирового океана не так просто добраться. Значительное давление, достигающее 600 атмосфер и превышающее этот показатель, является одним из факторов, ограничивающих исследования. Справляться с такими условиями способны лишь специализированные и дорогостоящие глубоководные устройства.
Для эффективного использования ресурсов океанов требуются современные технологии, в частности, «умные» автономные подводные роботы, способные функционировать с производительностью, сопоставимой с человеческой. Такие устройства должны быть оборудованы специализированными инструментами, позволяющими проводить тактильное зондирование — изучать дно посредством тактильного контакта, чтобы выявлять объекты, расположенные впереди.
Инженеры разработали целую серию тактильных датчиков, которые применяют в распознавании объектов и текстур в различных отраслях промышленности, в робототехнике (в адаптивном захвате) и человеко-машинном интерфейсе. Но почти все они плохо работают в воде, особенно в условиях гидростатического давления.
Группа исследователей из Калифорнийского университета (США), возглавляемая Цзюнь Ченом ( Jun Chen) ученые обнаружили метод, который поможет справиться с этой задачей. Специалисты создали водонепроницаемую искусственную кожу для подводных роботов, позволяющую машинам идентифицировать морские объекты, просто соприкасаясь с ними. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Под воздействием механических деформаций намагниченность некоторых магнитных материалов может изменяться. Данное явление, преимущественно встречающееся у ферромагнитных металлов и сплавов, известно как «магнитоупругий эффект», этот феномен также известен как «эффект Виллари». Проведенные исследования продемонстрировали, что на данное свойство не оказывает воздействия вода, и оно сохраняется даже после длительного, недельного погружения магнитного материала в соленую среду, имитирующую морскую воду.
Чен и его коллеги акцентировали внимание именно на этом явлении. Ученые установили, что магнитоупругий эффект способен проявляться и в «мягких» полимерах – материалах, используемых в биомедицинских целях и робототехнике, эти данные оказались полезными, например, при создании мягких мышц. Ученые применили их при разработке искусственной кожи, основу которой составляет эластичный полимер и большое количество миниатюрных, но сильных магнитов. Они преобразуют любое физическое воздействие в изменение магнитного поля, которое затем фиксируется двумя слоями датчиков магнитной индукции. Эти датчики преобразуют изменения магнитного поля в электрические сигналы.
Чен и его коллеги надели кожу на роботизированную руку и провели лабораторные испытания. Рука должна была произвольно захватывать как «живые» объекты (моллюск, морская улитка, морской гребешок, морская звезда), так и «неживые» — морской мусор (крышка от бутылки, бумажный стакан, пластиковая бутылка). Модель искусственного интеллекта, которая была обучена анализировать сигналы датчиков, поступающие с кожи во время тренировочных захватов, продемонстрировала 95%-ную точность в идентификации различных объектов.
Разработчики утверждают, что их сенсорная система, использующая искусственный интеллект, отличается низкими требованиями к вычислительным ресурсам и способна расширить возможности зрения подводных роботов. Благодаря такой системе автономные аппараты смогут оперативно выполнять задачи, связанные с захватом объектов, что позволит сократить время и расходы, возникающие в ходе дорогостоящих подводных экспедиций.
Ученые считают, в перспективе, эти разработки найдут применение в глубоководных роботах, используемых для разведки месторождений полезных ископаемых на дне океана, а также в аппаратах, предназначенных для очистки океанов и морей от загрязнений. Если манипулятор, оснащенный такой «кожей», сможет определять, какие объекты являются живыми, а какие – нет, это позволит избежать нанесения вреда подводным обитателям.