Un’interfaccia robotica per un tocco morbido

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Gli scienziati dell’EPFL hanno sviluppato un dispositivo aptico in grado di riprodurre la percezione della morbidezza di vari materiali, dai marshmallow a un cuore che batte. Una sfida complessa che finora era sfuggita agli specialisti della robotica.

Giudicare la maturazione di un frutto, effettuare una visita medica o tenere la mano di una persona cara: la percezione della flessibilità gioca un ruolo essenziale in molte azioni e interazioni. Ma comprendere questa percezione e riprodurla è un compito complesso, perché coinvolge numerosi processi sensoriali e cognitivi.

Gli scienziati della robotica hanno cercato di affrontare questa sfida utilizzando dispositivi aptici, ma i tentativi precedenti non sono riusciti a distinguere tra due elementi principali della percezione della flessibilità: i segnali cutanei (feedback sensoriale dalla pelle del polpastrello) e i segnali cinestetici (feedback dalla forza esercitata sull’articolazione del dito).

"Se si preme su un marshmallow con il polpastrello, si percepisce facilmente che è morbido. Ma se si mette un biscotto duro sopra quel marshmallow e si preme di nuovo, si può ancora dire che il marshmallow morbido è sotto, anche se il polpastrello tocca una superficie dura", spiega Mustafa Mete, dottorando del Laboratorio di Robotica Riconfigurabile (RRL) della Facoltà di Ingegneria dell’EPFL. "Volevamo scoprire se potevamo creare una piattaforma robotica in grado di fare la stessa cosa".

Con SORI (Softness Rendering Interface), il Laboratorio RRL, diretto da Jamie Paik, ha raggiunto questo obiettivo. Disaccoppiando i segnali cutanei e cinestetici, SORI riproduce fedelmente la sensazione di morbidezza di un insieme di materiali reali, colmando una lacuna nel campo della robotica e consentendo numerose applicazioni in cui questa percezione è essenziale, dall’esplorazione delle profondità marine alla chirurgia assistita da robot.

Questa ricerca è stata pubblicata sulla rivista Proceedings of the National Academy of Science (PNAS) .

La percezione della flessibilità varia da persona a persona

Mustafa Mete spiega che studi neuroscientifici e psicologici dimostrano che i segnali cutanei si basano principalmente sulla quantità di pelle a contatto con una superficie, che spesso è legata in parte alla deformazione dell’oggetto. In altre parole, una superficie che avvolge maggiormente la punta del dito sarà percepita come più morbida. Ma le dimensioni e la consistenza dei polpastrelli variano notevolmente da un individuo all’altro, per cui un dito può essere più a contatto con una determinata superficie rispetto a un altro.

"Ci siamo resi conto che la percezione della flessibilità varia da persona a persona, a causa delle diverse forme delle nostre dita. Quindi, per il nostro studio, abbiamo dovuto prima creare dei parametri per le geometrie di un polpastrello e della sua superficie di contatto, al fine di stimare i segnali di flessibilità per quel polpastrello", spiega Mustafa Mete. Gli scienziati hanno quindi estratto i parametri di flessibilità da una serie di materiali diversi e hanno mappato le due serie di parametri sul dispositivo SORI.

SORI si basa sulla ricerca sui robot origami, che è una specialità del Laboratorio RRL e ha portato a progressi negli ambienti riconfigurabili e nei joystick aptici. È dotato di articolazioni origami motorizzate che possono essere modulate per diventare più rigide o più flessibili. Le articolazioni sono coperte da una membrana di silicone a nido d’ape. Un flusso d’aria gonfia la membrana a vari livelli, avvolgendo la punta di un dito posto al suo centro.

Grazie a questo nuovo disaccoppiamento delle funzioni cinestetiche e cutanee, SORI è stato in grado di ricreare la percezione della morbidezza di una serie di materiali, tra cui manzo, salmone e marshmallow, in diversi esperimenti condotti con due volontari. È stato anche in grado di riprodurla per materiali con caratteristiche sia morbide che solide, come un biscotto su un marshmallow o un libro rilegato in pelle. In un esperimento virtuale, SORI ha persino ricreato la sensazione di morbidezza di un cuore che batte, per dimostrare la sua efficacia nel riprodurre la percezione di materiali morbidi in movimento.

La medicina è quindi una delle principali aree potenziali di applicazione di questa tecnologia, ad esempio per addestrare gli studenti di medicina a rilevare i tumori cancerosi o per fornire un importante feedback sensoriale ai chirurghi che utilizzano i robot per eseguire operazioni chirurgiche.

Altre applicazioni possibili sono l’esplorazione robotica dello spazio o delle profondità oceaniche, dove il dispositivo consentirebbe agli scienziati di percepire a distanza la morbidezza di un oggetto scoperto. SORI è anche una potenziale risposta a una delle maggiori sfide dell’agricoltura robotizzata: raccogliere frutta e verdura morbida senza schiacciarla.

"Non si tratterebbe di un sensore di flessibilità per i robot, ma di un trasferimento digitale della sensazione del ’tatto’, allo stesso modo dell’invio di foto o musica", riassume Mustafa Mete.

Riferimenti

Mete M, Jeong H, Wang WD, Paik J. SORI: A softness-rendering interface to unravel the nature of softness perception. Proc Natl Acad Sci U S A. 2024 Mar 26;121(13):e2314901121. doi: 10.1073/pnas.2314901121. Epub 2024 Mar 11. PMID: 38466880.