Det är den heliga gralen inom robotik:en android som kan utföra komplexa uppgifter bredvid människor i en verklig miljö.

Problemet är att när robotar uppmanas att arbeta utanför en mycket kontrollerad miljö, de tenderar att vara långsamma och klumpiga. De snabba och exakta robotarna som arbetar så effektivt i fabriker kan inte fungera i verkliga miljöer eftersom de inte omedelbart kan känna av och reagera på dessa miljöer. Be dem att snabbt ta tag i ett ömtåligt föremål, och de kommer sannolikt att krossa den. Be dem att arbeta bredvid en människa, och de kan av misstag bryta hans arm eller stöta honom från lastplattformen.

"Om vi ​​vill att robotar ska arbeta tillsammans med människor eller hantera komplexa uppgifter självständigt, vi måste göra en skonsammare robot, säger Peter Whitney, professor i teknik vid Northeastern, som är specialiserad på robotmekanik.

Whitney tror att han har svaret:hydraulik.

När han arbetade på Disney Research i Pittsburgh, han utvecklade Jimmy, en anmärkningsvärt verklighetstrogen robot som är snabb, exakt, och mild nog att leka fånga med en ballong, plocka upp ett ägg, och klappa en tjej på kinden utan att ge henne hjärnskakning.

Tills vidare, Jimmy opereras som en marionett av en människa. Denna tidiga inkarnation visar att Whitneys hydraulsystem kan skapa en känsla av beröring som avsevärt utökar robotens kapacitet. Den krossar inte ägget eftersom operatören kan känna dess skal genom hydraulisk återkoppling; det klurar inte flickan eftersom operatören kan känna hennes ansikte så fort robotarmen nuddar henne.

Även om Jimmy ännu inte är autonom, hydraulsystemet har många tillämpningar. Till exempel, Whitney samarbetar med forskare från Stanford University för att anpassa sin teknologi för att utföra robotassisterad MR-kirurgi.

Eftersom ett MRT-rör är så smalt, läkare måste för närvarande rulla patienter in och ut ur röret när de utför operation. Whitney arbetar med Stanford Universitys ingenjör Mark Cutkosky för att perfekta en mindre version av Jimmy för att utföra operation inuti röret, guidad av en kirurg med de dockliknande kontrollerna. Eftersom den hydrauliska tekniken överför en känsla av beröring, kirurgen skulle faktiskt kunna känna vad Jimmy gör inuti MRT-röret.

"Peters robotar är eleganta i sin enkelhet och kan översätta mekaniska rörelser från en punkt till en annan med precision, " säger Hata Nobuhiko, en professor vid Harvard Medical School som är chef för programmet vid Brigham and Women's Hospital som anpassar robotinnovationer för medicinskt bruk.

"Det är enkelt eftersom det inte är beroende av kablar och motorer och sensorer för att styra roboten, " säger Nobuhiko. "Det kräver ingen dator för att avgöra hur mycket tryck som ska appliceras. Inom medicin, det gillar vi inte eftersom för många saker kan gå fel. Du vill inte att det ska hända när du är inuti en människokropp."

Med Whitneys hydrauliska teknologi, Nobuniko säger att kirurger kommer att kunna stå utanför MRI-röret och exakt utföra en prostatabiopsi med Whitneys "magiska hand". En av fördelarna med Whitneys hydraulsystem är att det inte kräver något magnetiskt eller elektriskt material, vilket skulle förvränga MR-avbildningen.

"Det är hemligheten bakom vad som gör det så exakt och lätt, " säger Cutkosky. "Vi vill att läkaren ska känna att hennes fingertoppar är inuti MRI-maskinen och trycker in nålen."

Whitney spekulerar i att om han kan miniatyrisera viktiga delar av det hydrauliska systemet, hans teknologi kan vara anpassningsbar till laparoskopisk kirurgi.

"Laparoskopisk kirurgi är nu helt bedövad, " säger Whitney. "Alla kirurgens rörelser styrs av synen, ingenting av känsla. Det beror på att det inte finns någon exakt kraftåterkoppling."

Autonomi

Nästa steg, han säger, är att använda sitt system i autonoma robotar, att kombinera hastigheten och precisionen hos industrirobotar med den mildhet som krävs för att arbeta tillsammans med människor. De potentiella tillämpningarna är enorma, allt från äldreomsorg och räddningsarbete, till avlägsnande av farligt avfall och utforskning av rymden. Whitney säger att målet för denna teknik är allt arbete som kräver att en robot är exakt och snabb i ett ögonblick och följsam och skonsam i nästa.

Whitney samarbetar med nordöstra datavetenskapsprofessorn Robert Platt, som utvecklar den artificiella intelligens som behövs för att utföra autonoma uppgifter – särskilt att greppa och manipulera vanliga hushållsföremål så att en robot kan användas för jobb som matning och rakning.

"Med Jimmy, vi visade vad hårdvaran kommer att vara fysiskt kapabel till när den artificiella intelligensen kommer ikapp, " säger Whitney. "Även om det fortfarande är mänskligt kontrollerat, det bevisar att en autonom tillämpning är möjlig."

Lågkostnadslösningar

Whitneys hydraulsystem har också potential att dramatiskt minska kostnaderna för smidiga robotar. Detta är särskilt viktigt i hemmiljön, där kunderna inte har tillverkande företags ekonomiska resurser. Hans mål är att utveckla en robotarm med minst sju leder och som kan monteras på en rullstol eller ett robothjul.

"Vi hoppas kunna hålla kostnaden under $2, 000, som skulle kunna halveras genom massproduktion."