看不见的代码有助于机器人对其环境感

通过|5月5日,2021年

一种新材料可以帮助机器人通过扫描人眼看不见的代码来分析和导航它们的环境。

我们与机器人的关系是一个复杂的一个:一般来说,我们似乎没有完全相信它们,尽管它们具有明显的好处,并且让我们的生活更容易。问题当然比这更为差别,但无论这一令人敬畏,在过去的几十年中,该领域一直在爆炸,具有更聪明,更有力的机器人走出实验室走路(和工作)我们之间。无论我们喜欢与否,未来都是自动化,第四个工业革命已经到来 - 这可能不一定bad

虽然社会已经因此获得了很多好处,但该领域仍有很长的路要走,研究人员正在为使机器人更先进、更安全、与环境兼容做出不可思议的贡献。

Jan Lagerwall是一个这样的研究员 - 卢森堡大学的柔软物理学家和教授,他对材料科学和物理化学有兴趣,以及跨学科应用的首页。沿着这些线条,他和他的同事,Yong Geng,Rijeesh Kizhakidathazhath,以及新泽西理工学院的Mathew Schwartz教授最近开发出来一个新的材料帮助机器人更好地感知、分析环境,并与环境互动,使世界更“机器人友好”。

拉格沃尔说:“我们的材料可以在实体世界和数字表现之间提供联系。”

在受控的环境中,比如实验室,一些机器人使用所谓的基准标记来导航他们的环境。这些是白色背景上的黑色方块图案,类似QR码,用于标记表面。虽然很方便,但想象一下,要用二维码来装饰一个空间,这样机器人就可以在里面操作了。不美观。

这就是拉格沃尔聚合物材料的切入点。拉格沃尔说:“我们想用一种人类看不到而机器人可以看到的方式来制作这样的标记。”“这将帮助他们理解自己的环境,同时也将每个带有这样标签的项目与BIM模型中的数字孪生项目联系起来。”

BIM指的是建筑信息建模,在物理世界的计算机模型中,每个物理对象都有一个“数字孪生”。这是一种高度先进的数字化设计方法,可应用于其他领域,如建设,知识共享可以实时进行,以促进规划和决策。

“虽然BIM非常有用,但它的全部潜力需要物理对象和他们的数字双胞胎之间有效的联系。标记构建了[用]我们的新材料,对人眼看不见,而是通过机器容易读取,可以提供这些链接,“Lagerwall说。

研究人员用胆甾体球面反射器(csr)取代了传统上用来制作基准标记的墨水,胆甾体球面反射器是聚合液晶的干燥外壳。

胆甾体球面反射器充当看不见的标签,帮助机器人绘制地图和导航它们的环境

“这些是球形,无论方向如何,都反映了光回到照明源,所以在这种感觉中,它们就像你可能知道的逆流器,你可能知道高可见性服装,但有两个重要差异,”耿说。““首先,它们仅反射由某个波长范围限定的窄部分。在可见范围内,这定义了颜色,但范围也可以在可见的外部,红外线或紫外线中。这就是我们如何使它们看不见。

“第二,光是圆极化的,就像用于创造3D电影的光一样,”他继续。“这是非常重要的,因为它允许机器人即使在非常繁忙的环境中也能快速识别CSR标记。它需要两个相同场景的图像 - 一个通过左手和一个通过右手圆偏振器 - 然后它从彼此中减去图像。所有未经支持的内容,因此除了CSR标记之外的所有内容,所以标记非常清晰。“

球体是自组装的,因此,使它们需要很少的能量,并且没有复杂的制造。首先通过将水滴推入液晶中的形状来形成它们的形状。“这有点像吹气进入肥皂膜,以吹肥皂泡,但在小规模上:球形大约为0.1mm,”kizhakidathahath解释。““通过在液晶周围流动第二水相,液晶内部的水的复合相突破到悬浮在外部水相中的液晶壳中。”

然后通过聚合使球体硬化,在聚合过程中保持自组装过程中获得的顺序。重要的是,这个过程也会导致水滴周围的聚合物壳收缩,导致水滴在最薄的地方膨胀。

制作CSR

“当我们后来冲洗丙酮中的壳时,这部分断开,将每个壳体带有孔,所以我们可以进入内部,”Kizhakidathazhath说。“这对于光学性质很重要,因为现在我们可以完全围绕在内部以及外部的聚合的液晶,其具有与壳体相同的折射率的液体。这允许它变得不可见。

“我们使用的液体实际上是一种胶水,通过紫外线照射使其变硬,通过这种方式,我们创建涂层,将外壳放置在特定的标记位置,定义编码的信息。”

通过将聚合物晶体定位成特定图案,如QR码中的黑点定位在这些层上。通过将逆向反射带调节到近UV或IR光谱,信息对人眼不可见。

虽然仍处于概念验证阶段,但该团队在部署他们的基准标记方面看到了巨大的潜力,并且已经探望了下一步。

拉格沃尔说:“目前,我们正在将活跃在涉及csr应用场景的所有领域的研究人员和公司组成一个联盟。”“从化学家使物理学家分析光学材料,机器视觉专家确保机器人可以快速、准确地阅读信息,安全,道德和法律专家可以分析人类将如何回应和影响一个场景,在该场景中,他们用机器人co-inhabit空间。

“这种巨大的跨学科,以及巨大的潜在影响,使这项研究如此令人难以置信的令人兴奋。”

参考:Yong Geng,Rijeesh Kizhakidathahath,以及Jan P. F. Lagerwall,利用聚合胆甾体球面反射器在表面上编码隐藏信息,先进的功能材料(2021)。DOI:10.1002 / ADFM.202100399