Ein mit einer Haarbürste ausgestatteter Roboterarm hilft beim Putzen und könnte in Pflegeeinrichtungen von Vorteil sein.
Ein Roboterarm-Setup ist mit einer sensorisierten weichen Bürste ausgestattet und wird von einer Kamera unterstützt, um die komplexe Natur der Manipulation und des Bürstens von Haarfasern zu untersuchen. Bildnachweis: Foto mit freundlicher Genehmigung von MIT CSAIL
Angesichts der schnell wachsenden Anforderungen an die Gesundheitssysteme verbringen Pflegekräfte in der Regel 18 bis 40 Prozent ihrer Zeit mit Leistungen direkte Aufgaben der Patientenversorgung, oft für viele Patienten und mit wenig Zeitaufwand. Körperpflegeroboter, die Haare bürsten, könnten erhebliche Hilfe und Erleichterung bieten.
Dies mag wie eine wirklich radikale Form der „Selbstpflege“ erscheinen, aber schlaue Roboter für Dinge wie Rasieren, Haarewaschen und Make-up sind nicht neu. Im Jahr 2011 entwickelte der Technologieriese Panasonic einen Roboter, der Haare waschen, massieren und sogar föhnen konnte, der explizit entwickelt wurde, um „ein sicheres und komfortables Leben für ältere Menschen und Menschen mit eingeschränkter Mobilität zu unterstützen und gleichzeitig die Belastung der Pflegekräfte zu verringern“.
Haare kämmende Bots erwiesen sich jedoch als weniger erforscht, führen Wissenschaftler aus MIT's Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) und dem Soft Math Lab der Harvard University, um einen Roboterarmaufbau mit einer sensorisierten weichen Bürste zu entwickeln. Der Roboter ist mit einer Kamera ausgestattet, die ihm hilft, Kräuselungen zu „sehen“ und einzuschätzen, sodass er ein schonendes und zeiteffizientes Ausbürsten planen kann.
Die Kontrollstrategie des Teams passt sich dem Grad der Verwicklung im Faserbündel an und sie haben „RoboWig“ auf die Probe gestellt, indem sie Perücken von glattem bis zu sehr lockigem Haar bürsteten.
Während das Hardware-Setup von RoboWig futuristisch und glänzend aussieht, ist das zugrunde liegende Modell der Haarfasern das, was es zum Ticken bringt. CSAIL-Postdoc Josie Hughes und ihr Team entschieden sich dafür, die verflochtenen Haare als Sätze verschlungener Doppelhelices darzustellen – denken Sie an Klassiker DNA Stränge. Diese Granularität lieferte wichtige Einblicke in mathematische Modelle und Steuerungssysteme zur Manipulation von Bündeln weicher Fasern mit einer breiten Palette von Anwendungen in der Textilindustrie, Tierpflege und anderen Fasersystemen.
„Durch die Entwicklung eines Modells für verhedderte Fasern verstehen wir aus einer modellbasierten Perspektive, wie Haare verheddert werden müssen: von unten beginnend und langsam nach oben arbeitend, um ein „Verklemmen“ der Fasern zu verhindern“, sagt Hughes, der Hauptautor der Studie ein Papier über RoboWig. „Das ist etwas, was jeder, der Haare gebürstet hat, aus Erfahrung gelernt hat, aber jetzt können wir es durch ein Modell demonstrieren und verwenden, um einen Roboter zu informieren.“
Diese Aufgabe ist eine verworrene. Jede Haarpracht ist anders und das komplizierte Zusammenspiel der Haare beim Kämmen kann leicht zu Knoten führen. Darüber hinaus kann die falsche Bürststrategie sehr schmerzhaft und schädlich für das Haar sein.
Frühere Forschungen im Bereich des Bürstens konzentrierten sich hauptsächlich auf die mechanischen, dynamischen und visuellen Eigenschaften von Haaren, im Gegensatz zu RoboWigs verfeinertem Fokus auf das Verwirrungs- und Kämmverhalten.
Um die Haare zu bürsten und zu manipulieren, fügten die Forscher dem Roboterarm eine Sensorbürste mit weichen Borsten hinzu, um die Kräfte während des Bürstens messen zu können. Sie kombinierten dieses Setup mit einem sogenannten „Closed-Loop-Steuerungssystem“, das Feedback von einem Ausgang erhält und automatisch eine Aktion ohne menschliches Eingreifen ausführt. Dies erzeugte ein „Force Feedback“ von der Bürste – eine Steuerungsmethode, mit der der Benutzer fühlen kann, was das Gerät tut – sodass die Länge des Strichs optimiert werden konnte, um sowohl den potenziellen „Schmerz“ als auch die zum Bürsten benötigte Zeit zu berücksichtigen.
Erste Tests bewahrten den menschlichen Kopf – vorerst – und wurden stattdessen an einer Reihe von Perücken verschiedener Frisuren und Typen durchgeführt. Das Modell lieferte einen Einblick in das Verhalten des Kämmens in Bezug auf die Anzahl der Verwicklungen und wie diese durch die Wahl geeigneter Bürstlängen effizient und effektiv ausgebürstet werden können. Zum Beispiel würden bei lockigem Haar die Schmerzkosten dominieren, daher waren kürzere Bürstenlängen optimal.
Das Team möchte schließlich realistischere Experimente an Menschen durchführen, um die Leistung des Roboters in Bezug auf ihre Schmerzerfahrung besser zu verstehen – eine Metrik, die offensichtlich sehr subjektiv ist, da die „Zwei“ einer Person die „Acht“ einer anderen Person sein könnte.
„Damit Roboter ihre Aufgabenlösungsfähigkeiten auf komplexere Aufgaben wie das Haarebürsten ausdehnen können, brauchen wir nicht nur neuartige sichere Hardware, sondern auch ein Verständnis des komplexen Verhaltens der weichen Haare und der verhedderten Fasern“, sagt Hughes. „Neben dem Haarbürsten könnten die Erkenntnisse aus unserem Ansatz auch auf das Bürsten von Textil- oder Tierfasern angewendet werden.“
Hughes verfasste die Arbeit gemeinsam mit den Doktoranden Thomas Bolton Plumb-Reyes und Nicholas Charles der Harvard University School of Engineering and Applied Sciences; Professor L. Mahadevan von der Harvard School of Engineering and Applied Sciences, Department of Physics, and Organismic and Evolutionary Biology; und MIT-Professorin und CSAIL-Direktorin Daniela Rus. Sie stellten das Papier Anfang dieses Monats virtuell auf der IEEE Conference on Soft Robotics (RoboSoft) vor.
Das Projekt wurde teilweise durch das Emerging Frontiers in Research and Innovation-Programm der National Science Foundation zwischen dem MIT CSAIL und dem Soft Math Lab in Harvard unterstützt.
