Нейроморфный чип одарил роботов невероятной чувствительностью

Учёные создали устройство, наделённое довольно точным и очень быстрым осязанием. Для этого они объединили инновационную искусственную кожу с нейропроцессором. Роботы, наделённые такой чувствительностью, пригодятся буквально везде, от складов до операционных.

Если человечество хочет переложить ручной труд на могучие плечи роботов, ему необходимо сделать машины столь же ловкими, как и люди. А для этого нужно наделить их осязанием.

Дело в том, что осязание, или чувствительность к прикосновениям, способность определять свойства предмета посредством прикосновения к нему и так далее, необходимо нам ежесекундно. Оно требуется для управления буквально любыми движениями, от ходьбы и застёгивания пуговиц до сложных манипуляций хирурга или музыканта. Возможно, только те, кто лишился этого ощущения в результате травмы, могут оценить, насколько трудно без него обходиться. И, кстати, они не отказались бы от протезов, возвращающих им способность знакомиться с предметами на ощупь.

Поэтому множество исследовательских групп по всему миру работают над созданием искусственной кожи, наделённой осязанием.

Недавно специалисты из Национального университета Сингапура совершили настоящий прорыв в этой области.

Сила в независимости

Как и в других разработках подобного рода в роли осязательных рецепторов выступают датчики давления. Но специалисты из Сингапура применили новую схему соединения этих сенсоров. Несколько упрощая её описание, можно сказать, что к каждому датчику схемы тянется отдельный провод, и только глубоко под поверхностью "кожи" эти проводники подключаются к одному большому проводу, идущему в центр обработки информации.

Такая структура даёт устройству, которое создатели назвали ACES, три важных преимущества.

Во-первых, это быстродействие (сигнал от каждого датчика отправляется сразу к процессору, не путешествуя по всей сети). В результате система способна за 60 наносекунд определить, на какой из двух соседних сенсоров было оказано давление. Это рекордный результат. А за 10 миллисекунд она определяет форму, текстуру и жёсткость предмета, к которому прикасается.

Второе достоинство ACES – масштабируемость. Добавление новых датчиков в систему не слишком усложняет устройство и почти не сказывается на его быстродействии. (В экспериментах исследователи работали и с сотнями, и с десятью тысячами сенсоров). Поэтому способной к осязанию искусственной кожей можно будет покрыть больших роботов.

Наконец, независимость датчиков друг от друга делает устройство устойчивым к повреждениям. Выход из строя одного сенсора никак не сказывается на работе остальных. Это важно для искусственной кожи, постоянно контактирующей с твёрдыми предметами, которые могут её повредить.

Разработка сингапурских инженеров подробно описана в научной статье, опубликованной в журнале Science Robotics.

Думать кожей

Однако система сенсоров – это полдела. Необходим ещё вычислительный центр, обрабатывающий информацию. Мы осязаем мир не только кожей, но и мозгом.

В роли мозга в данном случае выступил нейроморфный процессор Loihi. Вести.Ru подробно рассказывали об этом детище компании Intel.

Кратко напомним, что Loihi представляет собой искусственную нейронную сеть. Такие системы в самых общих чертах имитируют устройство мозга. Это позволяет сети успешно решать задачи, не имеющие чёткого алгоритма, такие как распознавание образов (в данном случае осязательных).

Нейронная сеть может быть реализована в виде программы для обычных компьютеров или же на уровне "железа", как в Loihi. Во втором случае система работает быстрее и тратит куда меньше энергии, а это явное преимущество.

Экспериментаторы научили дуэт ACES и Loihi распознавать шрифт Брайля. Устройство достигло точности распознавания, превышающей 92%. При этом оно тратило в 20 раз меньше энергии, чем стандартный процессор.

На следующем этапе учёные проверили, как искусственное осязание работает в паре с компьютерным зрением. Для этого они "поручили" Loihi обрабатывать данные с искусственной кожи вместе с сигналом от так называемой камеры событий (event camera).

Это особый тип камер, в котором каждый пиксель работает независимо от других и посылает сигнал, только если фиксирует изменение яркости в своём "поле зрения". Этот принцип работы напоминает функционирование человеческого глаза, так что подобные камеры называют ещё нейроморфными.

Задание состояло в том, чтобы отличить друг от друга непрозрачные ёмкости, наполненные разным количеством жидкости.

Опыты показали, что добавление осязательной информации повысило точность классификации на 10% по сравнению с экспериментами, в которых использовались только данные с камеры.

Более того, Loihi опять продемонстрировал свою эффективность в качестве нейронной сети. Он обрабатывал данные на 21% быстрее, чем высокопроизводительный графический процессор, при этом потребляя в 45 раз меньше энергии.

Результаты совместного применения процессора Loihi и искусственной кожи ACES были представлены на конференции Robotics: Science and Systems.

К слову, ранее Вести.Ru рассказывали о том, как из чипов Loihi собрали нейрокомпьютер, превосходящий мозг мыши. Писали мы и об искусственной коже, способной различать звуки.