De wetenschap van menselijke aanraking – en waarom het zo moeilijk is voor robots om te repliceren

Door Perla Maiolino, Universiteit van Oxford

Robots zien de wereld nu met een gemak dat ooit voorbehouden was aan sciencefiction. Ze kunnen objecten herkennen, door rommelige ruimtes navigeren en duizenden pakketten binnen een uur sorteren. Maar vraag een robot om iets zachtjes, veilig of betekenisvol aan te raken, en de beperkingen ervan komen onmiddellijk naar voren.

Als onderzoeker op het gebied van zachte robotica die werkt aan kunstmatige huid en gesensoriseerde lichamen, merk ik dat het proberen om robots een gevoel van aanraking te geven ons dwingt om onder ogen te zien hoe geavanceerd menselijke aanraking is.

Mijn werk begon met de simpele vraag hoe robots de wereld via hun lichaam kunnen waarnemen. Ontwikkel aanraaksensoren, bedek de hele machine ermee, verwerk de signalen en op het eerste gezicht krijg je zoiets als aanraking.

Het is alleen zo dat menselijke aanraking niet zoiets is als een simpele drukkaart. Onze huid bevat verschillende soorten mechanoreceptoren, elk aangepast aan verschillende stimuli zoals trillingen, rek of textuur. Onze ruimtelijke resolutie is uitstekend en, belangrijker nog, aanraking is actief: we zijn voortdurend aan het drukken, verschuiven en aanpassen, waarbij we rauwe sensaties omzetten in percepties door middel van dynamische interacties.

Ingenieurs kunnen hiervan soms versies op vingertopschaal nabootsen, maar deze reproduceren over zachte lichamen, en robots de mogelijkheid geven om deze rijke zintuiglijke stroom te interpreteren, is een heel andere uitdaging.

Het werken aan kunsthuid bracht ook al snel een ander inzicht aan het licht: het meeste van wat wij ‘intelligentie’ noemen, leeft niet alleen in de hersenen. De biologie biedt treffende voorbeelden, waarvan de bekendste de octopus is.

Octopussen verspreiden de meeste van hun neuronen over hun ledematen. Uit onderzoek naar hun motorische gedrag blijkt dat de armen van octopussen bewegingspatronen lokaal kunnen genereren en aanpassen op basis van sensorische input, met beperkte input van de hersenen.

Hun zachte, volgzame lichamen dragen rechtstreeks bij aan hoe ze zich in de wereld gedragen. En dit soort gedistribueerde, belichaamde intelligentie, waarbij gedrag voortkomt uit interacties tussen het lichaam, materialen en de omgeving, krijgt steeds meer invloed in de robotica.

Aanraking is ook het eerste zintuig dat mensen in de baarmoeder ontwikkelen. Ontwikkelingsneurowetenschappen tonen aan dat aanrakingsgevoeligheid rond de acht weken zwangerschap optreedt en zich vervolgens tijdens het tweede trimester door het lichaam verspreidt. Lang voordat het gezichtsvermogen of het gehoor goed kunnen functioneren, verkent de foetus zijn omgeving door middel van aanraking. Aangenomen wordt dat dit helpt vorm te geven aan de manier waarop baby’s inzicht beginnen te krijgen in gewicht, weerstand en ondersteuning – de fundamentele natuurkunde van de wereld.

Dit onderscheid is ook belangrijk voor robotica. Decennia lang hebben robots sterk vertrouwd op camera’s en lidar (een detectiemethode die lichtgolven gebruikt om afstand te meten) terwijl ze fysiek contact vermijden. Maar we kunnen niet van machines verwachten dat ze in de fysieke wereld competentie op menselijk niveau bereiken als ze dit zelden via aanraking ervaren.

Simulaties kunnen robots nuttig gedrag leren, maar zonder echte fysieke verkenning riskeren simulaties alleen maar het gebruik van intelligentie in plaats van deze uit te breiden. Om net als mensen te leren, hebben robots lichamen nodig die kunnen voelen.

Een ‘zachte’ robothand met aanraaksensoren, ontwikkeld door het Soft Robotics Lab van Oxford University, kan een appel vastpakken. Video: Oxford Robotics Institute.

Eén benadering die mijn groep onderzoekt, is om robots een zekere mate van ‘lokale intelligentie’ in hun zintuiglijke lichamen te geven. Mensen profiteren van de compliantie van zacht weefsel: de huid verandert van vorm, waardoor de grip verbetert, de wrijving toeneemt en sensorische signalen worden gefilterd voordat ze zelfs maar de hersenen bereiken. Het is een vorm van intelligentie die rechtstreeks in de anatomie is ingebed.

Onderzoek op het gebied van zachte robotica en computationele morfologie stelt dat het lichaam een ​​deel van de werklast van de hersenen kan verlichten. Door robots te maken met zachte structuren en verwerking op een laag niveau, zodat ze de grip of houding kunnen aanpassen op basis van tactiele feedback zonder te wachten op centrale commando’s, hopen we machines te creëren die veiliger en natuurlijker met de fysieke wereld omgaan.

De gezondheidszorg is een gebied waarop deze mogelijkheden een groot verschil kunnen maken. Mijn groep heeft onlangs een robotachtige patiëntensimulator ontwikkeld voor het trainen van ergotherapeuten (OT’s). Leerlingen oefenen vaak op elkaar, waardoor het moeilijk wordt om alle tactiele vaardigheden te leren die nodig zijn om iemand veilig te ondersteunen. Bij echte patiënten moeten cursisten een balans vinden tussen functionele en affectieve aanraking, persoonlijke grenzen respecteren en subtiele signalen van pijn of ongemak herkennen. Onderzoek naar sociale en affectieve aanraking laat zien hoe belangrijk deze signalen zijn voor het menselijk welzijn.

Om cursisten deze interacties te helpen begrijpen, genereert onze simulator, bekend als Mona, praktische gedragsreacties. Wanneer een PL bijvoorbeeld een gesimuleerd pijnpunt op de kunsthuid drukt, reageert de robot verbaal en met kleine fysieke ‘haperingen’ op het lichaam om ongemak te simuleren.

Op dezelfde manier zal de robot, als de leerling probeert een ledemaat verder te bewegen dan wat de gesimuleerde patiënt kan verdragen, zich aanspannen of weerstand bieden, waardoor een realistisch signaal wordt gegeven dat de beweging moet worden gestopt. Door tactiele interacties vast te leggen via kunstmatige huid, geeft onze simulator feedback die nooit eerder beschikbaar was bij overwerktraining.

Zorgzame robot

In de toekomst zouden robots met veilige en gevoelige lichamen kunnen helpen de groeiende druk op de sociale voorzieningen aan te pakken. Naarmate de bevolking ouder wordt, merken veel gezinnen plotseling dat ze hun familieleden aanstellen, herpositioneren of ondersteunen zonder formele training. ‘Zorgrobots’ gaan hierbij helpen, waardoor gezinsleden langer thuis verzorgd kunnen worden.

Verrassend genoeg is de vooruitgang bij de ontwikkeling van dit type robot veel langzamer gegaan dan aanvankelijk verwacht – zelfs in Japan, waar enkele van de eerste prototypes van zorgrobots werden geïntroduceerd. Een van de meest geavanceerde voorbeelden is Airec, een mensachtige robot die is ontwikkeld als onderdeel van het Moonshot-programma van de Japanse overheid om te helpen bij verpleegkundige en ouderenzorgtaken. Dit veelzijdige programma, gelanceerd in 2019, streeft naar “ambitieus onderzoek en ontwikkeling gebaseerd op gedurfde ideeën” om “een samenleving op te bouwen waarin de mensheid tegen 2050 vrij kan zijn van de beperkingen van het lichaam, de hersenen, de ruimte en de tijd”.

De Japanse Airec-onderhoudsrobot is een van de meest geavanceerde in ontwikkeling. Video van Global Update.

Wereldwijd blijft het echter lastig om onderzoeksprototypes te vertalen naar beheerde robots. Hoge ontwikkelingskosten, strenge veiligheidseisen en het ontbreken van een duidelijke commerciële markt hebben de vooruitgang vertraagd. Ondanks aanzienlijke technische en regelgevende belemmeringen worden deze nog steeds overwonnen.

Robots die veilig een nauwe fysieke ruimte met mensen kunnen delen, moeten de manier waarop ze aanraken wat in contact komt met hun lichaam waarnemen en moduleren. Deze gevoeligheid voor het hele lichaam is wat de volgende generatie zachte robots onderscheidt van de hedendaagse starre machines.

We zijn nog ver verwijderd van robots die deze intieme taken autonoom kunnen uitvoeren. Maar de creatie van machines met aanraakbediening heeft ons begrip van aanraking veranderd. Elke stap richting robotische tactiele intelligentie benadrukt de ongelooflijke verfijning van ons lichaam – en het diepe verband tussen sensatie, beweging en wat wij intelligentie noemen.

Dit artikel is geproduceerd in samenwerking met het Professorship Program, onderdeel van Prototypes for the Humanities, een mondiaal initiatief dat academische innovatie demonstreert en versnelt om sociale en ecologische uitdagingen op te lossen. The Conversation is een mediapartner van Prototypes for Humanity 2025.

Perla Maiolino, universitair hoofddocent Ingenieurswetenschappen, lid van het Oxford Robotics Institute, Universiteit van Oxford

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.