Desde que se inventaron los robots, los humanos han intentado hacerlos lo más parecidos a ellos mismos. Ser humano significa percibir el mundo que nos rodea de una manera determinada, pero nuestro software contiene códigos difíciles de descifrar. Imitar la percepción humana con la electrónica se ha convertido en una de las tareas más difíciles. En la actualidad, también es un gran escollo para crear sistemas de inteligencia artificial y desarrollar interfaces hombre-máquina. Cada vez se busca más versatilidad en los robots.
Robots sensores - robots de segunda generación
Las primeras generaciones de robots utilizados en la fabricación no disponían de medios técnicos para recibir información sobre el entorno. Carecían de visión e inteligencia. Por tanto, cualquier objeto o persona que se interpusiera en su camino podía ser víctima de una colisión o un impacto del robot programado automáticamente. O la propia máquina inteligente podía sufrir una interacción de este tipo.
Los robots de primera generación no son capaces de operar con objetos desconocidos colocados arbitrariamente y sin orientación, y requieren dispositivos adicionales para la organización particular del área de trabajo. Todo ello hace que la automatización sea más complicada y costosa, y menos flexible. Es posible evitar estas desagradables consecuencias de las limitaciones sensoriales e intelectuales de los robots de primera generación ampliando considerablemente la gama y la naturaleza de los sensores de medición de información y los programas de control. Así surgieron los robots de segunda generación, los robots sintientes.
Estos robots se diferencian de los de primera generación por un surtido esencialmente más amplio de órganos sensoriales artificiales. En primer lugar, se trata de sensores táctiles, visuales, sonoros y otros. Los órganos sensoriales de los robots de segunda generación sirven para introducir información sobre el robot y las condiciones del entorno en el sistema de control, que ya no se limita a un dispositivo de memoria y programación, como en los robots de primera generación, sino que requiere un ordenador de control para su implementación. Es precisamente la detección combinada con un software suficientemente perfecto y diverso del ordenador de control lo que permite a los robots de segunda generación trabajar con objetos no orientados de forma arbitraria, ensamblar y montar estructuras según el dibujo, interactuar con el entorno externo, realizar la secuencia de operaciones requerida (programada) en un clima cambiante. Por lo tanto, la detección de los robots es un requisito necesario para aumentar su funcionalidad.
El sistema de medición de información de los robots sintientes, es decir, su sistema de órganos sensoriales, consta de sensores de información externos e internos. La correlación entre los sensores de información y su interacción en estos robots difiere significativamente de los robots de software. Es importante señalar que, en el caso de los robots sintientes, los sensores de información externos desempeñan un papel importante en la percepción, el análisis, el reconocimiento y el control de las condiciones ambientales. En particular, los sensores utilizados en los robots de primera generación pueden utilizarse como sensores de información internos.
Requisitos y principales características de los sensores de información externos
Dependiendo de la finalidad de un robot sensible, sus sensores de información externa deben simular el tacto, la visión, el oído, etc. Además, hay sensores para medir la radiactividad, la presión, la humedad, la temperatura y otras magnitudes físicas. Estos sensores deben tener una gran precisión, fiabilidad, velocidad, pequeño tamaño, peso y coste.
Cabe destacar que actualmente se están creando sensores y aparatos mucho más sensibles que nuestros sentidos. Una fotocélula ve gran parte del espectro mejor que el ojo, y un micrófono oye mejor que el oído humano. Un sismógrafo es más sensible que nuestro sentido del tacto, y la sensación de temperatura no es tan buena como un termómetro, por supuesto.
Y sólo un sentido, el del olfato, es decir, la detección y determinación de pequeñas cantidades de impurezas de materia orgánica en humanos y animales, es más completo que los instrumentos existentes. En este sentido, cabe destacar que los órganos olfativos se encuentran entre los sentidos más complicados, desconociéndose aún la naturaleza del fenómeno sobre el que operan. Por lo tanto, "ponerse a la altura del olfato del perro" es uno de los problemas actuales de la detección robótica.
La experiencia en el estudio de los órganos sensoriales humanos y animales contiene mucha información que puede utilizarse como requisito previo para desarrollar órganos sensoriales artificiales. En los sistemas vivos, todos los órganos sensoriales están equipados con sus propios órganos de movimiento, que, a su vez, están provistos de receptores cinestésicos. Durante la percepción, un papel esencial corresponde tanto a los receptores individuales como a los campos receptivos y a los detectores locales, que permiten distinguir ciertas características elementales de los objetos. A la hora de analizar el entorno y el estado interno, el procesamiento conjunto y coordinado de las señales sensoriales de distintos tipos desempeña un papel importante, teniendo en cuenta las acciones realizadas.
La interacción humana con el entorno exterior se basa principalmente en el procesamiento de la información visual, auditiva y táctil-kinestésica. También hay situaciones en las que sólo las sensaciones táctiles y cinestésicas pueden dar información correcta sobre las características del entorno. Estas situaciones surgen, por ejemplo, cuando es necesario realizar micromovimientos de los dedos para determinar la forma y la calidad de la superficie de los objetos circundantes y los casos en que hay obstáculos para el control visual.
Los principales tipos de "sentidos artificiales" – sensores
Sensores táctiles y cinestésicos
La creación de sensores con sensibilidad táctil y cinestésica era necesaria para resolver varios retos relacionados con la búsqueda de objetos, su agarre y su desplazamiento. Un sensor de contacto es el tipo más básico de este tipo de sensores. Son pequeños interruptores que detectan cuando un objeto entra en contacto con ellos.
Los sensores táctiles responden al tacto y detectan la presión donde el sensor se une (contacta) con un objeto. Suelen ir acoplados a los parachoques de los robots de transporte o a las empuñaduras de los robots de manipulación. Estos sensores se utilizan para detectar objetos individuales, evitar que se dañen, tanto ellos como el propio robot, y reconocer el entorno externo mediante el tacto y el tanteo.
Los sensores cinestésicos registran la posición y el movimiento de los actuadores (por ejemplo, los dedos del agarre de un manipulador) y las fuerzas que se ejercen en ellos.
Una característica esencial de los sensores táctiles y cinestésicos es que funcionan en casi cualquier entorno. En particular, estos sensores son indispensables para los robots submarinos porque el canal de retroalimentación televisivo u óptico deja de funcionar cuando el agua está turbia.
Sensores visuales
Para la percepción intuitiva y el análisis de las escenas tridimensionales se necesita un equipo especial que, en esencia, debe imitar el trabajo funcional del ojo. Debe ofrecer soluciones a problemas como la búsqueda activa de objetos mediante el cambio de orientación del sensor visual, el enfoque automático de la imagen, la medición de la distancia a los objetos, el ajuste de la sensibilidad del sensor en función de los cambios en las condiciones de iluminación, el resaltado de las características de la imagen (color, textura, contornos, tamaño, forma, etc.).
En la detección visual de robots, las fuentes de información son la televisión y los sensores ópticos. Un sensor de televisión ("ojo de televisión") es una cámara de televisión. La imagen completa o un fragmento se graba en la memoria como una proyección matricial bidimensional de una escena tridimensional real. Sin embargo, la imagen televisiva es plana, a diferencia de los propios objetos, que tienen tres dimensiones. Priva al hombre y al robot de la percepción tridimensional y del "efecto de presencia" asociado. Por ello, son de gran importancia para la percepción de los robots los medios de la holografía, que permiten registrar y reconstruir no la dimensión bidimensional, sino la onda luminosa que emana de un objeto, con todos sus detalles. Los robots utilizan fotocélulas, fotodiodos, filtros de luz, guías de luz y otros elementos junto con las fuentes de luz para determinar el color de los objetos.
La principal desventaja de los sensores visuales es su inadecuación en ausencia de fuentes de luz o en condiciones de dispersión o absorción de la luz sólida, como ocurre bajo el agua o en el espacio exterior.
Sensores de sonido
Los sensores de sonido incluyen todo tipo de micrófonos y sensores ultrasónicos. Los micrófonos se utilizan para captar las órdenes adecuadas cuando se controla un robot por voz. Los sensores ultrasónicos constan de un transmisor y un receptor de señales. Pueden utilizar la señal ultrasónica reflejada en los objetos para detectarlos y determinar su distancia.
En comparación con los sensores ópticos, los sensores ultrasónicos tienen las siguientes ventajas: pueden detectar objetos transparentes; sus lecturas no dependen de las condiciones de iluminación y son muy insensibles a los cambios en las propiedades físicas del entorno (polvo, vapor, medio líquido); la vida de los generadores de oscilación es casi ilimitada, etc. Sin embargo, debido a la difusa direccionalidad de las vibraciones ultrasónicas, la precisión de la determinación de las distancias a los objetos en estos sensores es baja. Además, no pueden detectar objetos con dimensiones diminutas debido a la longitud relativamente larga de las ondas ultrasónicas.
En qué se diferencian los sentidos humanos de los sistemas sensoriales de los robots modernos
En cierto sentido, los robots intentan copiar los sentimientos que tienen los humanos o los animales. Pero los robots suelen tener sistemas mucho más avanzados. Por ejemplo, el aparato vestibular humano registra los cambios de posición del cuerpo o la cabeza. Sin embargo, ningún órgano puede decirnos cuántos minutos angulares tiene doblada la rodilla o el codo, o a qué distancia está un objeto de nosotros con una precisión de una micra. Los humanos no lo necesitan, pero en el paradigma actual de desarrollo de la robótica, esta información puede ayudar a las máquinas inteligentes.
Los robots pueden dividirse en dos tipos: de locomoción y de manipulación. La tarea principal de los primeros es desplazar una carga útil o una persona a distancias significativas, como hacen los drones, los coches no tripulados o los barcos. En esta situación, la principal tarea de los sensores es detectar la posición del robot en el espacio, así como su ubicación en relación con los objetos cercanos. También podemos añadir sensores de aceleración lineal y angular, que proporcionan una sensación de equilibrio, es decir, de orientación en el campo gravitatorio.
La tarea de los robots manipuladores, que deben imitar funcionalmente las manos, es realizar diversas operaciones con los objetos. Aquí es donde entra en juego la detección cinestésica, que proporciona una sensación de posición, movimiento y fuerza. En otras palabras, necesitamos sensores que puedan determinar la configuración actual y las velocidades de las distintas partes del robot, así como sensores táctiles y de presión. Estos últimos son especialmente demandados para garantizar un agarre fiable de los objetos manipulados, así como para controlar las fuerzas de interacción con las cosas, el entorno y los seres humanos, con el fin, por ejemplo, de realizar una operación de contacto de calidad y no dañar al robot o herir a una persona que esté cerca o en contacto directo.
Por supuesto, para todos los robots mencionados anteriormente, se puede utilizar un número considerable de sensores auxiliares "de servicio", que depende de la aplicación específica. Algunos de ellos proporcionan información sobre el estado interno del sistema y otros sobre el entorno. Cabe destacar que los sensores para las interacciones entre humanos y robots son cruciales en este contexto.
Tendencias en la sensorización de los robots
Una de las tendencias actuales en la detección de robots es el desarrollo de sensores táctiles. Los avances van encaminados a crear robots que puedan trabajar con eficacia y seguridad en un entorno dinámico y desestructurado. Es imposible poner todo estrictamente en su sitio de una vez por todas y en estrecho contacto con los humanos.
En este sentido, cada vez surgen más tipos de medidores nuevos. Por ejemplo, se están desarrollando y probando sensores distribuidos llamados de piel artificial. La dirección de la háptica -control de retroalimentación de fuerza- está creciendo poderosamente en Estados Unidos, Suiza, Alemania, Corea, China y Japón, donde grandes laboratorios trabajan en este campo.
El concepto de diseño funcional integrado, o codiseño, de todos los componentes del robot, también está evolucionando en el diseño de sistemas robóticos, donde el diseño, los sensores, las fuentes de alimentación, las plataformas informáticas, los algoritmos y el software se desarrollan simultáneamente, en función de la funcionalidad final del sistema en su conjunto.
Debido al desarrollo de la robótica personal, los sensores para la interacción humana multimodal, incluidos, por ejemplo, los sensores combinados para la lectura simultánea de información auditiva y visual para el posterior procesamiento del lenguaje natural (procesamiento del lenguaje natural), deberían utilizarse más ampliamente.
Robots sensores: lo que puede hacer una máquina con vista y oído
Algunas máquinas inteligentes tienen analizadores de gases y líquidos como análogos a nuestros órganos del olfato y del gusto, con los que pueden detectar olores y sabores, aunque no en la misma medida que nosotros. Durante décadas, estas "narices electrónicas" han ayudado a los funcionarios de aduanas a detectar sustancias peligrosas y prohibidas. Los laboratorios las utilizan para analizar los alimentos en busca de frescura e impurezas no documentadas. Ayudan a los médicos a diagnosticar las primeras fases de la gastritis y a detectar fugas de gas explosivo en las tuberías.
Hablando de oído, como ejemplo, los asistentes de voz Siri para iOS u otros. - Son ejemplos de "oídos electrónicos" que perciben tu discurso y "entienden" lo que has dicho. El reconocimiento del habla natural es una tarea difícil, por lo que la creación de estos sistemas implica conocimientos de diferentes campos de la lingüística, las matemáticas y la informática.
Como análogo de la visión humana (dos ojos y esos biomecanismos formados en nuestro cerebro desde el nacimiento), podemos citar toda una rama de la informática: la visión por ordenador (o por máquina). Los sistemas de visión por ordenador resuelven todas las tareas atribuidas a la realidad visible y a veces van más allá si hablamos de la visión en el rango infrarrojo, los microscopios electrónicos y las radiografías. Estos sistemas reconocen la entrada de escritura y autorizan el acceso a sistemas protegidos a través de la retina o el iris. Permiten detectar signos sutiles de anomalías en las radiografías. Permiten la introducción de datos mediante el seguimiento del movimiento de los ojos para las personas con discapacidad.
Supongamos que hay varias imágenes de un objeto tomadas con algunos parámetros diferentes. En ese caso, puede ser el ángulo de rotación, la iluminación o cualquier otra cosa; la tarea de los sistemas de IA es reconstruir una escena tridimensional, un modelo del objeto tomado. Es el tipo de tarea que hacemos todos los días. Por ejemplo, miramos a algún lugar y estimamos la distancia a la que se encuentran las cosas y su forma, y nos fijamos en las partes que sobresalen. Es lo que hace nuestro cerebro en segundo plano.
Los modernos algoritmos de visión por ordenador son lo suficientemente rápidos como para obtener datos tridimensionales de imágenes, incluso de dos cámaras, en fracciones de segundo. En este caso, podemos hablar de algoritmos de imagen estereoscópica en tiempo real. Un robot de este tipo, equipado con una o varias cámaras, puede dirigirse en tiempo real a un espacio desconocido, construir un modelo de este espacio y enviarlo a un humano.
La aplicación práctica de estos sistemas parece evidente. Supongamos que este robot es un batiscafo, un cuadricóptero, una plataforma con ruedas o un aparato para caminar. En ese caso, puede enviarse a un lugar de difícil acceso, como una zona contaminada por la radiación, incluso la Luna o el fondo del océano, y construirá un modelo del entorno y encontrará su camino sin intervención humana.
Los médicos también utilizan ojos de ordenador para analizar imágenes médicas, los entomólogos para identificar diferentes tipos de artrópodos e incluso los químicos utilizan la visión por ordenador para registrar los resultados de los experimentos.
Por ejemplo, los dentistas pueden utilizar una cámara especial para tomar fotos de dientes astillados desde diferentes lados y construir un modelo tridimensional del diente astillado. A continuación, el paciente puede ver en el monitor un modelo de esta rotura y otro del diente natural. El programa puede combinarlos, un algoritmo especial resta los volúmenes y se produce un modelo tridimensional para su fabricación. Este modelo puede imprimirse como un archivo, la máquina fabrica la parte del diente que falta y se ajusta perfectamente a su ubicación prevista.
También hay un ejemplo de aplicación diagnóstica. Si un médico dispone de cortes de resonancia magnética del cerebro o de otros órganos, puede obtener una imagen tridimensional a partir de ellos, lo que permitirá conocer el volumen de un determinado proceso en los órganos del paciente y su extensión.
Actualmente, las tecnologías de reconstrucción tridimensional se utilizan a menudo para la navegación y la cartografía. Hay módulos autónomos, incluidos los coches, equipados con muchos sensores, como radares, lidares, sonares y cámaras. La tarea de todos estos dispositivos es obtener una imagen completa de lo que hay alrededor del coche. Con su ayuda, el vehículo puede realizar el aparcamiento y el movimiento automático siguiendo las líneas de las marcas. Estas tecnologías ya se están implantando y utilizando en la conducción automatizada o en la conducción autónoma (en los coches sin conductor). Si se va más arriba en el aire, sus sistemas de visión por ordenador resuelven los problemas de la cartografía aeroespacial. Con principios similares, utilizando imágenes en las gamas visible, infrarroja y ultravioleta, los sistemas de visión por ordenador captan la topografía terrestre, sobre la que vuelan los satélites.
El escaneo no destructivo de alta precisión se ha encontrado en la cinematografía, la animación por ordenador y las aplicaciones médicas. La creación de modelos de los objetos más realistas - rostros de personas, animales, etc. - es casi imposible sin tecnologías de reconstrucción rápida. Las herramientas de transferencia de alta precisión de cosas naturales a escenas virtuales se basan en algoritmos con iluminación estructurada.
Algunas empresas se especializan en tecnologías para la cinematografía y la animación. Sus soluciones permiten escanear rostros humanos con un proyector y una cámara de alta resolución. Los modelos resultantes permitirán crear personajes realistas para la animación y sustituir a los actores reales en el cine. Otras empresas se especializan en la creación de hologramas interactivos de objetos macroscópicos (barrios, centrales eléctricas, centros de negocios). También tienen que recurrir a la visión por ordenador para tomar las dimensiones de las cosas existentes.
Así, los robots de hoy en día son más "humanos" que nunca. Algunos predicen que los robots serán capaces de percibir todo lo que les rodea muy pronto. Pero las máquinas aún tienen un largo camino que recorrer. Por ello, debería mejorar su "autonomía de comportamiento", facilitando que los robots interactúen con los humanos y resuelvan las tareas cotidianas y los conflictos que surjan en el proceso.