Umělá kůže dá hmat robotům. Vývojáři se Inspirují i Hvězdnými válkami

Pod pojmem umělá kůže si asi většina lidí představí nábytkářskou napodobeninu přírodního materiálu, ale to už pomalu přestává platit. Éra robotů, kyborgů a inteligentních protéz chce mnohem víc: kůži, která by dokázala to co lidská. Nebo pro začátek aspoň mít cit − i když schopnost spontánně obnovovat poškození nebo umožňovat výměnu plynů s okolím by se hodila taky.

Do roku 2030 nahradí roboti 20 milionů lidí

Donedávna se vědci při vývoji "smyslů" robotů soustřeďovali spíš na optické a zvukové podněty (kamery, infračervené a ultrazvukové senzory), zatímco u protéz zase úsilí konstruktérů pohlcovala snaha o dokonalé napodobení pohybových funkcí; nanejvýš jen s omezenými možnostmi zpětné vazby. Ovšem ve skutečnosti je největším smyslovým orgánem člověka kůže a někteří živočichové se dokonce spoléhají výhradně na informace získávané povrchem těla. Dokonale funkční roboti a protézy se proto nemohou obejít bez povrchů, které by měly stejné schopnosti.

Hlavním impulzem pro vývoj funkční umělé kůže v současnosti je předpokládaný nástup robotiky a Průmyslu 4.0 do každodenní praxe. Podle ekonomů z analytické společnosti Oxford Economics do roku 2030 roboti nahradí 20 milionů lidí. To ovšem vyžaduje jejich podstatné zdokonalení, včetně schopnosti cítit doteky, tlak, teplo i bolest a rozeznávat textury povrchu předmětů.

Méně invazivní operace

Vývojové laboratoře o získání umělé kůže usilují už několik let. Například vědci z Univerzity v Minnesotě před časem vyvinuli postup umožňující pomocí 3D tisku vytvořit elastický materiál, který obsahuje velké množství senzorů. Nabízí celou řadu využití, mimo jiné i vytváření umělé kůže pro roboty, jimž tak umožní lépe vnímat okolní prostředí, nebo pro protézy, které budou cítit dotek jako skutečné končetiny.

"Elastickou látkou se senzory z naší laboratoře může být například potažen povrch chirurgických robotů," uvedl vedoucí vývojového týmu Michael McAlpine. "Operatér tak při laparoskopických operacích povede nástroj citlivěji, než když jej kontroluje pouze kamerami jako dosud. Zákroky budou ještě méně invazivní než v současnosti. Jiní roboti s touto umělou kůží budou lépe zvládat chůzi, manipulaci s předměty i další interakce s okolím. Odlišný typ tohoto materiálu vybavený fotočlánky nebo termočlánky zase umožní robotům a dalším zařízením získávat energii přímo z jejich povrchu."

Singapurská ruka umožňuje cítit bolest, rozeznávat textury povrchu předmětů, vnímat teplo a číst Braillovo písmo.

Na umělé kůži pro protézy a roboty pracují také vědci z RMIT Univerzity v australském Melbourne. Ti do svého materiálu zkombinovali několik technologií, které byly známé už dřív: tenkou membránu obsahující oxidy křemíku citlivou na tlak, neméně tenký materiál reagující na teplo a paměťové prvky uchovávající informaci z těchto vrstev. Tak vznikla umělá kůže, která protéze nebo robotovi umožňuje vnímat bolestivé podněty a dostatečně rychle na ně reagovat.

"Reakce na bolest je jednou ze základních schopností živých organismů, elektronice však zatím chyběla," upozorňuje vedoucí vývoje Madhu Bhaskaran. "Naše umělá kůže to nyní napravuje: dokáže vnímat tlak, horko a chlad. Je to první krok na cestě vývoje sofistikovaných senzorových systémů, bez nichž se robotika a protetika v budoucnosti neobejdou."

V loňském roce vědci z Technické univerzity Mnichov předvedli umělou kůži skládající se z malých křemíkových buněk ve tvaru včelí plástve, z nichž každá dokázala detekovat tlak, teplotu a zrychlení.

Ještě dál se dostali letos v srpnu vývojáři z National University of Singapore, kteří opatřili protetickou ruku umělou kůží ACES (Asynchronous Coded Electronic Skin), obsahující více než stovku miniaturních senzorů na každém čtverečním centimetru povrchu. Inspirovali se přitom protézou Luka Skywalkera ze sci-fi série Hvězdné války, který přišel o pravou ruku v souboji s padouchem Darthem Vaderem. Singapurská ruka umožňuje nejen cítit bolest, ale také rozeznávat textury povrchu předmětů, vnímat teplo a číst Braillovo písmo s přesností blížící se 90 procentům. Její odezva na hmatové podněty je dokonce rychlejší než u lidské kůže.

"Zatímco člověk pro rozeznání textury musí rukou přejet po povrchu předmětu, v tomto případě stačí pouhý dotyk," říká šéf vývojového týmu Benjamin Tee.

Protetika a rekonstrukční medicína se mohou ubírat i cestou napodobování skutečné biologické kůže. Výzkumníci z Rensselaer Polytechnic Institute vyvinuli metodu 3D tisku z uměle vypěstovaných živých buněk, jíž lze vytvářet kůži s i krevním řečištěm pro její zásobování živinami.

Polechtejte svůj mobil

Trh s protézami není tak velký, aby inspiroval k financování nákladného výzkumu, to však neplatí pro snahu opatřit hmatovým smyslem roboty, která nyní vývoj umělé kůže značně akceleruje. John Aloimonos z Univerzity v Marylandu tvrdí, že přitom nejde jen o to, aby se tak zlepšila jejich zručnost a vnímání okolí, ale především o lepší a bezpečnější komunikaci s lidmi. Podle něj musí mít každý robot schopnost pouhým dotykem zjistit, že se dostal do kontaktu s člověkem, a okamžitě na to příslušným způsobem reagovat.

Někteří vědci dokonce věří, že umělá kůže je jen začátek a roboti budoucnosti budou mít i svaly a další tkáně napodobující tkáně živých tvorů. To by se ze všeho nejvíc týkalo právě robotů, kteří budou přicházet do styku s lidmi, například v pečovatelských službách.

Umělou kůži ale nemusí mít jen roboti a protézy. Vědci z Univerzity v Bristolu společně s kolegy z pařížské Sorbonny vyvinuli materiál obdařený citem, který je určen také pro povrchy chytrých telefonů, notebooků nebo oblékacích technologií. Dali mu název Skin On. Jde o několik silikonových vrstev, které kombinují různé schopnosti. Povrchová má ochrannou funkci, pod ní je elektrodová, skládající se z velkého množství elektricky vodivých vláken, zatímco nejspodnější dodává mechanické vlastnosti skutečné kůže.

Autoři tvrdí, že materiál dokáže nejen rozeznat různé způsoby uchopení spotřebiče a sílu stisku, ale třeba i lechtání, mazlení a podobně. Věří proto, že se tím otevírá nový komunikační kanál mezi člověkem a spotřební elektronikou.

"Až dosud se vývoj umělé kůže zaměřil na potřeby robotiky a protetiky, my však míříme dál," říká vedoucí vývojového týmu Marc Teyssier. "Chceme vytvořit kůži, která by představovala další vstup vnějších podnětů pro elektronická zařízení."

Autoři schopnosti Skin One předvedli na mobilním telefonu, touchpadu notebooku a chytrých hodinkách. Do budoucna chtějí svůj vynález vybavit i schopností "husí kůže", což by dovolovalo zařízení vyjadřovat jeho "pocity".

Jiné, méně obvyklé využití umělé kůže zajímá vojáky. Ti obdivují mimikry některých živočichů a rádi by, aby měnila barvu podle pozadí. Tak jak to umějí třeba chameleoni nebo chobotnice a sépie, aby to ovládaly tanky, letadla a další bitevní technika (včetně dronů a robotů), ale třeba i uniformy.

Článek byl publikován v komerční příloze HN Život s moderními plasty.