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Imitando la funzione dei recettori Ruffini utilizzando una pelle artificiale bio-ispirata

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Credito: intelligenza della macchina della natura (2022). DOI: 10.1038/s42256-022-00487-3

I robot mobili vengono ora introdotti in un’ampia varietà di ambienti del mondo reale, inclusi spazi pubblici, ambienti domestici, strutture sanitarie e uffici. Molti di questi robot sono progettati specificamente per interagire e collaborare con gli esseri umani, aiutandoli a completare compiti fisici pratici.

Per migliorare le prestazioni dei robot mobili su attività interattive e manuali, i robotici dovranno assicurarsi di poter percepire efficacemente gli stimoli nel loro ambiente. Negli ultimi anni, molti ingegneri e scienziati dei materiali hanno quindi cercato di sviluppare sistemi in grado di replicare artificialmente i processi sensoriali biologici.

I ricercatori della Scuola Superiore Sant’Anna, dell’Università Ca’ Foscari di Venezia, dell’Università La Sapienza di Roma e di altri istituti in Italia hanno recentemente utilizzato una pelle artificiale e una tecnica di deep learning che potrebbe essere utilizzata per migliorare le capacità tattili sia esistenti che di nuova concezione robot per replicare la funzione dei cosiddetti recettori Ruffini. Il loro approccio, introdotto in un articolo pubblicato in intelligenza della macchina della naturareplica la funzione di una classe di cellule localizzate sul derma superficiale umano (cioè il tessuto cutaneo sottocutaneo), note come recettori di Ruffini.

I recettori Ruffini, noti anche come terminazioni o corpuscoli Ruffini, sono cellule piccole e che si adattano lentamente in grado di rilevare l’allungamento della pelle, nonché vibrazioni, calore e pressione a bassa frequenza. Sono uno dei quattro tipi principali di recettori cutanei, insieme alle cellule di Merkel, ai corpuscoli di Pacini e ai corpuscoli di Meissner.

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Per replicare la funzione delle terminazioni Ruffini, i ricercatori hanno utilizzato una pelle artificiale morbida, curva e di ampia area, comprendente uno strato polimerico estensibile di 8 mm di spessore, con una fibra ottica lunga 430 mm integrata al suo interno. La pelle artificiale è stata creata utilizzando la tecnologia di stampa 3D.

“La pelle biomimetica è costituita da una morbida matrice polimerica, simile a un avambraccio umano, incorporata con trasduttori a reticolo di Bragg in fibra fotonica, che imita parzialmente la funzionalità del meccanocettore Ruffini con campi recettivi diffusi e sovrapposti”, hanno spiegato Luca Massari e i suoi colleghi nel loro articolo.

Per elaborare e dare un senso ai segnali captati dalla pelle artificiale che hanno creato, i ricercatori hanno sviluppato un modello di apprendimento profondo basato su una rete neurale convoluzionale multistrato (CNN). Questo algoritmo è stato addestrato per stimare la forza applicata alla superficie della pelle artificiale e stimare i punti in cui il robot sta toccando qualcosa.

“Un algoritmo di deep learning basato sulla CNN e un processo di integrazione neuronale multigriglia sono stati implementati per decodificare le uscite del sensore del reticolo di Bragg in fibra per l’inferenza dell’intensità della forza di contatto e della localizzazione attraverso la superficie della pelle”, hanno scritto i ricercatori nel loro articolo.

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I ricercatori hanno valutato il loro sistema basato sulla pelle artificiale in una serie di simulazioni e test. Hanno scoperto che ha ottenuto risultati molto promettenti, prevedendo efficacemente la forza applicata alla pelle artificiale e la posizione in cui è stata applicata.

“Risultati di 35 mN (intervallo interquartile 56 mN) e 3,2 mm (intervallo interquartile 2,3 mm) sono stati ottenuti rispettivamente per le previsioni di forza e localizzazione”, hanno scritto i ricercatori. “Le dimostrazioni con un braccio antropomorfo spianano la strada a skin integrate basate sull’intelligenza artificiale che consentono una cooperazione uomo-robot sicura tramite l’intelligenza artificiale”.

In futuro, il sistema creato da questo team di ricercatori potrebbe essere implementato su una varietà di robot umanoidi, poiché le patch modulari che compongono la pelle dovrebbero teoricamente adattarsi a diverse architetture e forme. Pertanto, nei loro prossimi studi, Massari ei suoi colleghi intendono testare fino a che punto il loro approccio può essere applicato ad altri sistemi.


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