Piel artificial que siente 'dolor', el camino hacia los robots sensibles al tacto

Un equipo de ingenieros de la Universidad de Glasgow ha desarrollado la piel artificial con un nuevo tipo de sistema de procesamiento basado en "transistores sinápticos”, que imita las vías neuronales del cerebro para aprender. Una mano robótica que utiliza la piel inteligente muestra una notable capacidad para aprender a reaccionar ante estímulos externos. Se trata de la primera piel artificial y electrónica capaz de sentir "dolor" y que puede allanar el camino a una nueva generación de robots sensibles al tacto.

Los científicos de todo el mundo llevan décadas trabajando en la construcción de pieles artificiales sensibles al tacto. Según un nuevo artículo publicado en la revista Science Robotics, los investigadores escoceses han descrito cómo construyeron su prototipo de piel electrónica computacional (e-skin) y cómo esta tecnología mejora el estado actual de la robótica sensible al tacto.

Uno de los métodos más utilizados consiste en extender una serie de sensores de contacto o presión por la superficie de la piel electrónica, para que detecte cuándo entra en contacto con un objeto. Los datos de los sensores se envían a un ordenador para ser procesados e interpretados. Pero los sensores suelen producir un gran volumen de datos que pueden tardar en procesarse y responder adecuadamente, lo que introduce retrasos que podrían reducir la eficacia potencial de la piel en tareas del mundo real.

Inspirados en el sistema nervioso

La nueva forma de piel electrónica del equipo de Glasgow se inspira en la forma en que el sistema nervioso periférico humano interpreta las señales de la piel para eliminar la latencia y el consumo de energía.

En cuanto la piel humana recibe una entrada, el sistema nervioso periférico comienza a procesarla en el punto de contacto, reduciéndola a sólo la información vital antes de enviarla al cerebro. Esa reducción de los datos sensoriales permite un uso eficiente de los canales de comunicación necesarios para enviar los datos al cerebro, que entonces responde casi inmediatamente para que el cuerpo reaccione adecuadamente.

Para construir una piel electrónica capaz de dar una respuesta computacionalmente eficiente, similar a la de una sinapsis, los investigadores imprimieron una retícula de 168 transistores sinápticos hechos con nanocables de óxido de zinc, directamente sobre la superficie de un plástico flexible. A continuación, conectaron el transistor sináptico con el sensor cutáneo presente en la palma de una mano robótica totalmente articulada y con forma humana.

Cuando se toca el sensor, este registra un cambio en su resistencia eléctrica: un pequeño cambio corresponde a un toque ligero, y un toque más fuerte crea un cambio mayor en la resistencia. Esta entrada está diseñada para imitar el funcionamiento de las neuronas sensoriales en el cuerpo humano.

En generaciones anteriores de pieles electrónicas, esos datos de entrada se enviaban a un ordenador para ser procesados. En cambio, un circuito integrado en la piel actúa como una sinapsis artificial, reduciendo la entrada a un simple pico de voltaje, cuya frecuencia varía según el nivel de presión aplicado a la piel, acelerando el proceso de reacción.

El equipo utilizó la salida variable de ese pico de voltaje para enseñar a la piel las respuestas adecuadas al dolor simulado, lo que haría reaccionar a la mano robótica. Estableciendo un umbral de tensión de entrada para provocar una reacción, los investigadores pudieron hacer que la mano robótica retrocediera ante un pinchazo en el centro de la palma. En otras palabras, aprendió a alejarse de una fuente de incomodidad simulada, mediante un proceso de procesamiento de información a bordo, que imita el funcionamiento del sistema nervioso humano.

El desarrollo de la piel electrónica es el último avance en materia de superficies impresas flexibles y estirables del Grupo de Tecnologías de Sensores y Electrónica Plegable (BEST) de la Universidad de Glasgow, dirigido por el profesor Ravinder Dahiya, de la Escuela de Ingeniería James Watt de la Universidad. Dahiya ha explicado cómo “todos aprendemos desde muy pronto a responder adecuadamente a estímulos inesperados, como el dolor, para evitar que nos volvamos a hacer daño. Por supuesto, el desarrollo de esta nueva forma de piel electrónica no ha implicado realmente infligir dolor tal y como lo conocemos; es simplemente una forma abreviada de explicar el proceso de aprendizaje a partir de estímulos externos”.

Dahiya aclara que lo que han podido crear con este proceso es “una piel electrónica capaz de aprender de forma distribuida a nivel de hardware y que no necesita enviar mensajes de ida y vuelta a un procesador central antes de actuar”. En su lugar, acelera enormemente el proceso de respuesta al tacto al reducir la cantidad de cálculos necesarios. Según sus cálculos, “creemos que se trata de un verdadero paso adelante en nuestro trabajo para crear una piel electrónica impresa neuromórfica a gran escala, capaz de responder adecuadamente a los estímulos".

Por su parte Fengyuan Liu, miembro del grupo BEST y coautor del artículo, ha añadido que "en el futuro, esta investigación podría ser la base de una piel electrónica más avanzada que permita a los robots explorar e interactuar con el mundo de nuevas maneras, o construir prótesis capaces de alcanzar niveles de sensibilidad táctil casi humanos".

El artículo del equipo, titulado "Printed Synaptic Transistors based Electronic Skin for Robots to Feel and Learn" (Piel electrónica basada en transistores sinápticos impresos para que los robots sientan y aprendan), se publicará en Science Robotics. La investigación se ha financiado con fondos del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC). El avance científico se puede ver a través de un vídeo colgado en internet a partir del día 1 de junio.