Human skin perceives physical stimuli applied to the body and mitigates the risk of physical interaction through its soft and resilient mechanical properties. Social robots would benefit from whole-body robotic skin (or tactile sensors) resembling human skin in realizing a safe, intuitive, and contact-rich interaction with humans. However, existing soft tactile sensors show several drawbacks (i.e., complex structure, poor scalability, and fragility), which limit their application in whole-body robotic skin. In this thesis, a biomimetic robotic skin is proposed based on hydrogel-elastomer hybrids and tomographic sensing methods (i.e., electrical impedance tomography and passive acoustic tomography). The developed skin consists of tough hydrogel and silicone elastomer forming a skin-inspired multilayer structure, achieving sufficient softness and resilience for protection. The sensor structure can also be easily repaired with adhesives even after severe damage (e.g., incision). For multimodal tactile sensation, electrodes and microphones are deployed in the sensor structure to measure local resistance changes and vibration due to touch. The ionic hydrogel layer is deformed due to an external force, and the resulting local conductivity changes are measured via electrodes. The microphones also detect the vibration generated from touch to determine the location and type of dynamic tactile stimuli. The measurement data are then converted into multimodal tactile information through tomographic imaging and deep neural networks. We further implemented a sensorized cosmetic prosthesis, demonstrating that our design could be used to implement deformable or complex-shaped robotic skin.
인간의 피부는 신체에 가해지는 물리적 자극을 감지하고 부드럽고 탄력적인 기계적 특성을 통해 물리적 상호 작용의 위험을 완화합니다. 소셜 로봇은 인간과 안전하고 직관적이며 접촉이 풍부한 상호 작용을 실현하는 데 인간의 피부와 유사한 전신 로봇 피부(또는 촉각 센서)의 이점을 누릴 수 있습니다. 그러나 기존의 부드러운 촉각 센서는 전신 로봇 피부에 적용할 수 있는 여러 가지 단점(예: 복잡한 구조, 열악한 확장성 및 취약성)을 보여줍니다. 이 논문에서는 하이드로겔-엘라스토머 하이브리드 및 단층 촬영 감지 방법(즉, 전기 임피던스 단층 촬영 및 수동 음향 단층 촬영)을 기반으로 하는 생체모방 로봇 피부를 제안합니다. 개발된 피부는 단단한 하이드로겔과 실리콘 엘라스토머로 구성되어 피부에서 영감을 받은 다층 구조를 형성하여 충분한 부드러움과 탄력을 주어 보호해줍니다. 또한 센서 구조는 심한 손상(예: 절개) 후에도 접착제로 쉽게 수리할 수 있습니다. 다중 모드 촉각 감각을 위해 전극과 마이크가 센서 구조에 배치되어 터치로 인한 국부 저항 변화와 진동을 측정합니다. 이온성 하이드로겔 층이 외력에 의해 변형되고, 이에 따른 국부 전도도 변화는 전극을 통해 측정된다. 마이크는 또한 터치에서 발생하는 진동을 감지하여 동적 촉각 자극의 위치와 유형을 결정합니다. 측정 데이터는 단층 영상과 심층 신경망을 통해 다중 모드 촉각 정보로 변환됩니다. 또한 센서화된 미용 보철물을 구현하여 제안한 디자인이 변형 가능하거나 복잡한 모양의 로봇 피부를 구현하는 데 사용될 수 있음을 보여줍니다.
