Robots can sense!

April 14, 2020
switch to THswitch to EN

Robots can sense!

Imagine that if there are robots that have senses like what humans possess, what will happen? To draw an example for that, let’s get back to the old days when the miners took caged canaries in the coal mine. This kind of bird is able to sense dangerous chemicals such as carbon monoxide. However, the canaries would then die after facing those chemicals, so the miners could recognize it as a warning sign.

Thus, if we can invent the robots or machines that own the ability of sensing, there is no need of sacrifice; all of us would be out of danger.
Here, researchers at Carnegie Mellon University have now developed soft robots that can sense and respond to chemical signals. 


The combination between biology, engineering and robotics


“The ones that always stuck out to me were the octopus and cuttlefish and how they can interact with their environment and camouflage themselves to hide from predators. The fact that these organisms have cells that can sense and respond to their surrounding environment and basically act as soft machines was really exciting to us,” said Kyle Justus, an alumnus of the mechanical engineering doctoral program.

Justus and his team intended to combine synthetic biology, mechanical engineering, and robotics in order to create their ideal robot inspired by incredible organisms with their great sensing ability. This project was supervised by Carmel Majidi, an associate professor of mechanical engineering; and Philip LeDuc, a professor of mechanical engineering. 
Furthermore, to increase proficiency in synthetic biology, Carnegie Mellon researchers have collaborated with Cheemeng Tan, an associate professor of biomedical engineering at the University of California, Davis.


Turning a biological signals into an electornic signals

Researchers have put “engineered bacteria cells”  into a flexible gripper on the robot’s arm. Theses cells are able to respond to IPTG, a chemical that can unlock an engineered genetic circuit. The important part is that once IPTG unlocks that circuit, the engineered bacteria cells will release a “fluorescents protein” which can be a signal. 

But the question is that how we can train the robot to understand that signal. LeDuc said, “That was one of the hardest things we had to accomplish: how do you turn a biological signal into a signal that a robot can process?”

“Turning a biological signal into an electronic signal is the answer.” Researchers created a flexible light-emitting diode (LED) circuit, which its function is to detect and arouse the fluorescent protein. After the LED circuit detect that kind of protein, it will send an electronic signal to the gripper’s central processing unit. Consequently, their robot arm can understand whenever it senses IPTG.

Justus said, “What we have in most living systems are largely soft organism-level architectures that rely on the smaller subcomponents—cellular systems—to sense and respond to different cues and maintain life. Obviously, we’re doing it in non-living systems, but we’re using living subcomponents and trying to increase device capabilities by relying on that existing biological hardware.”


This technology—the gripper with the sensing ability—was tested to sense chemicals in liquid media and hydrogels (polymer networks that can retain large of water), and the results indicated that the gripper could sense the IPTG in the laboratory water bath, and decide to deploy the object into the bath after it could not find IPTG on the object.

Retrieved from: https://engineering.cmu.edu/news-events/news/2019/09/12-leduc-majidi-soft-robotics.html

หุ่นยนต์มีประสาทสัมผัส!

ลองจินตนาการดูว่า อนาคตเราจะเป็นอย่างไร หากหุ่นยนต์สามารถมีประสาทสัมผัสดั่งที่มนุษย์เรามี
เพื่อให้ท่านผู้อ่านได้เห็นภาพ เราต้องขอย้อนเวลาไปในยุคที่คนงานขุดเหมืองนำนกคีรีบูน (Canary Bird) เข้าไปในเหมืองถ่านหิน เจ้านกชนิดนี้สามารถรับรู้ได้ถึงสารเคมีอันตราย อย่างเช่นคาร์บอนมอนอกไซด์ แต่ทว่าเมื่อใดที่เจ้านกน้อยสัมผัสสารเคมีชนิดนี้ มันจะตายทันที ซึ่งเป็นสัญญาณบ่งบอกคนงานถึงภยันตรายได้

เช่นนี้เอง หากเราสามารถประดิษฐ์หุ่นยนต์หรือจักรกลที่มีความสามารถด้านประสาทสัมผัส มันคงไม่ต้องมีการเสียสละเฉกเช่นที่ผู้เขียนได้กล่าวข้างต้น
และตอนนี้ เหล่านักวิจัยมากความสามารถจากมหาวิทยาลัยคาร์เนกีเมลลอน ได้โชว์ความสามารถในการพัฒนา จักรกลแบบนิ่ม (Soft robots) ที่สามารถรับรู้และตอบสนองต่อสัญญาณทางเคมี


การผสานระหว่างศาสตร์ด้านชีวภาพ วิศวกรรม และ จักรกล

สิ่งหนึ่งที่มันฝังอยู่ในใจของผมคือ การที่ปลาหมึกและหมึกยักษ์สามารถปฎิสัมพันธ์กับสภาพแวดล้อมข้างตัวมันและอำพรางตัวมันจากนักล่าได้ เรารู้สึกตื่นเต้นจริง ๆ กับการที่สิ่งมีชีวิตเหล่านี้มีเซลล์ที่สามารถรับรู้และตอบสนองต่อสภาพแวดล้อมรอบตัว และมีปฎิกิริยาเฉกเช่น จักรกลแบบนิ่ม” ไคลี่ จัสตัส ศิษย์เก่าของคณะวิศวกรรมเครื่องกล ระดับปริญญาเอก กล่าว


จัสตัสและคณะนักวิจัยคาร์เนกีเมลลอนของเขา มุ่งหวังที่จะผสมผสานศาสตร์เรื่อง ชีววิทยาสังเคราะห์ วิศวกรรมเครื่องกล และหุ่นจักรกลเข้าด้วยกัน เพื่อทีเขาจะสามารถประดิษฐ์หุ่นยนต์ในอุดมคติที่ได้รับแรงบัลดาลใจจากสิ่งมีชีวิตที่มีความสามารถสุดล้ำในเรื่องประสาทสัมผัส โครงงานนี้มีอาจารย์ผู้ให้คำปรึกษา คือ (1) ผู้ช่วยศาสตราจาย์ด้านวิศวกรรมเครื่องกล คาร์เมล มาจีดี และ (2) ศาสตราจาร์ด้านวิศวกรรมเครื่องกล ฟิลิบ เลอร์ดูค
นอกเหนือจากนี้ เหล่านักวิจัยของคาร์เนกีเมลลอนได้ร่วมมือกับ รองศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมชีวการแพทย์ ชีเหมิง แทน จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ดาวิส เพื่อที่พวกเขาจะสามารถเสริมความเชียวชาญในเรื่องชีววิทยาสังเคราะห์


การปรับเปลี่ยนสัญญาณชีวภาพให้เป็นสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์

เหล่านักวิจัยได้ใส่ “แบคทีเรียเซลล์ที่ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรม” ในตัวคีบที่มีความยืดหยุ่นของแขนกล เซลล์เหล่านี้สามารถตอบสนองต่อ IPTG ซึ่งเป็นวัตถุเคมีที่สามารถปลดล็อควงจรพันธุกรรมที่ได้รับการดัดแปลงพันธุกรรมได้ และกระบวนการที่สำคัญที่สุดก็คือ เมื่อใดก็ตามที่แผงวงจรพันธุกรรมนี้ได้รับปลดล็อค เซลล์แบคทีเรียจะปล่อยโปรตีนที่สามารถเรืองแสงได้ และสิ่งนั่นจะเป็นสัญญาณให้แก่แขนกล

แต่ว่าคำถามก็คือ เราจะทำให้หุ่นยนต์สามารถเข้าใจในสัญญาณนั้นได้ยังไง เลอร์ดูค กล่าวว่า “สำหรับสิ่งที่ยากที่สุดที่เราต้องทำให้สำเร็จก็คือ การทำให้สัญญาณชีวภาพเป็นสัญญาณที่หุ่นยนต์สามารถใช้ดำเนินการได้”

“การเปลี่ยนสัญญาณชีวภาพให้เป็นสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์คือคำตอบ” เหล่านักวิจัยได้สร้างแผงไดโอดเปล่งแสงที่ยืดหยุ่นได้ (ที่เรารู้จักกันดีในชื่อแผงไฟ LED) ที่มีความสามารถในการตรวจจับและกระตุ้นโปรตีนเรืองแสง และหลังจากนั้นก็ส่งสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ ไปที่หน่วยประมวลผลกลางของตัวคีบแขนกล ซึ่งนี่เอง เจ้าแขนกลของพวกเขาก็สามารถมีประสาทสัมผัสต่อ IPTG ได้

จัสตัสกล่าวว่า “สิ่งที่เราเข้าใจในระบบสิ่งมีชีวิตก็คือ โครงสร้างของสิ่งมีชีวิตที่อ่อนนุ่มส่วนใหญ่จะพึ่งพาองค์ประกอบขนาดเล็ก (เช่นพวกระบบเซลล์ต่าง ๆ) เพื่อใช้ในการรับรู้และตอบสนองต่อสิ่งต่าง ๆ ที่แตกต่างกัน หรือใช้ดำรงชีวิตของมันเอง และแน่นอนว่าเรากำลังจะใช้มันกับระบบที่ไม่มีชีวิต แต่เราก็นำองค์ประกอบเล็ก ๆ ของสิ่งมีชีวิตมาประยุกต์ใช้อยู่ดี เรากำลังพยายามที่จะเพิ่มความสามารถให้แก่อุปกรณ์จากการประยุกต์ใช้ฮาร์ดแวร์ทางชีวภาพ”



เทคโนโลยีนี้—แขนกลตัวคีบกับความสามารถด้านประสาทสัมผัสของมัน—ได้ถูกทดสอบในเรื่องการรับรู้สารเคมีจากพื้นที่ของเหลวและไฮโดรเจล และผลลัพธ์ที่ได้ก็คือ เจ้าแขนกลของเราสามารถรับรู้ IPTG ในอ่างน้ำในห้องทดลองได้ และมันก็สามารถตัดสินใจที่จะหยิงสิ่งของทดลองเอาไปใส่ในอ่าง หลังจากที่มันไม่สามารถรับรู้ IPTG ในสิ่งของ


Retrieved from: https://engineering.cmu.edu/news-events/news/2019/09/12-leduc-majidi-soft-robotics.html

Written By: