O microfone 3D de sensor único permite que os robôs localizem seres humanos em ambientes barulhentos

Uma equipe de pesquisa desenvolveu uma nova tecnologia auditiva que permite o reconhecimento de posições humanas usando apenas um único microfone. Essa tecnologia facilita a interação baseada em som entre humanos e robôs, mesmo em ambientes barulhentos de fábrica.

A equipe de pesquisa implementou com sucesso o primeiro sensor auditivo 3D do mundo que “vê espaço com ouvidos” através da localização da fonte de som e tecnologias de comunicação acústica.

Os resultados da pesquisa são publicados na revista Robótica e fabricação integrada por computador. A equipe inclui o grupo do Professor de Engenharia da Universidade Nacional de Seul, Sung-Hoon, do Departamento de Engenharia Mecânica.

Em ambientes industriais e de resgate de desastres, “Sound” serve como uma sugestão crucial. Mesmo em situações em que sensores visuais ou comunicação eletromagnética são tornados ineficazes devido a altas temperaturas, poeira, fumaça, escuridão ou obstáculos, as ondas sonoras ainda podem transmitir informações vitais.

No entanto, as tecnologias de detecção acústica existentes têm limitações de precisão ou requerem configurações complexas de equipamentos, tornando as aplicações industriais práticas desafiadoras. Consequentemente, o som não foi totalmente utilizado como um recurso sensor, apesar de seu potencial.

Particularmente em ambientes de alto ruído, como fábricas, são necessárias tecnologias avançadas de detecção acústica, pois é extremamente difícil identificar com precisão posições humanas ou permitir que os robôs reconhecem os comandos verbais. Além disso, os métodos tradicionais de comunicação enfrentam desafios em ambientes sem infraestrutura de rede, destacando a necessidade de novas tecnologias de comunicação robot-robôs que utilizam o som.

Abordando essas questões fundamentais, a equipe de pesquisa desenvolveu o primeiro sensor auditivo 3D baseado em metaestrutura do mundo capaz de reconhecimento de posição usando apenas um único sensor. Esse sensor integra duas tecnologias principais: uma tecnologia de percepção acústica em 3D que estima as posições 3D de seres humanos ou objetos, mesmo em ambientes barulhentos e uma tecnologia de comunicação dupla baseada em ondas sonoras que permite novos métodos de interação entre humanos e robôs, bem como entre robôs.

A equipe do professor Ahn se concentrou nos mecanismos biológicos de morcegos e golfinhos, que reconhecem seus arredores e se comunicam apenas através do som. Eles visavam particularmente projetar a capacidade auditiva de “ouvir seletivamente sons de direções específicas”, permitindo o isolamento dos sons desejados em meio a ruído complexo.

Para conseguir isso, eles projetaram um mecanismo de cancelamento de fase baseado em meta-estrutura que ajusta artificialmente a fase das ondas sonoras que chegam de diferentes caminhos, amplificando sons de direções específicas enquanto cancelando outras.

Ao combinar esse mecanismo com um único microfone e um dispositivo de rotação, a equipe implementou a funcionalidade de rastreamento de fonte de som 3D-pré-visível apenas com sistemas multi-sensores-em um único sensor. Eles nomearam este sistema 3DAR (variação acústica 3D).

Além disso, inspirado nos princípios de comunicação de dupla frequência de golfinhos, os pesquisadores projetaram um canal acústico duplo que separa os intervalos de frequência audível e inaudível. Essa estrutura permite que humanos e robôs se comuniquem usando frequências audíveis (sons que os seres humanos podem ouvir), enquanto os robôs se comunicam entre si usando frequências inaudíveis (sons que os humanos não conseguem ouvir). Esse design minimiza a interferência e fornece caminhos de comunicação independentes entre robôs, facilitando cenários colaborativos mais complexos em ambientes industriais.

Essas duas tecnologias são integradas a um único sistema de sensores auditivos 3D de meta-estrutura, que a equipe de pesquisa implementou com sucesso em uma plataforma de robô real. Os testes de campo foram realizados em ambientes de fábrica e cotidiano. Notavelmente, um robô quadrúpede equipado com este sistema interagiu com sucesso com os seres humanos através do som e detectou locais de vazamento de gás via som.

Prevê-se que a tecnologia desenvolvida nesta pesquisa seja amplamente aplicável em vários campos, incluindo o rastreamento de posições dos trabalhadores nas fábricas, permitindo a colaboração humana-robô baseada em voz e auxiliar os robôs em reconhecer e responder a chamadas de resgate humano durante os desastres. Além disso, o baixo custo e o design compacto do sensor em comparação com os sistemas existentes o tornam prontamente implantável em ambientes industriais.

Sua utilidade é particularmente esperada para ser alta em fábricas autônomas baseadas em células. Ao alavancar essa tecnologia, o rastreamento em tempo real das posições dos trabalhadores pode impedir colisões com robôs e comunicar-se com os robôs através do som sozinho-sem gestos ou botões-podem melhorar a liberdade física dos trabalhadores, permitindo uma colaboração mais eficiente.

Além disso, a comunicação robot-robot via som, sem depender de redes tradicionais, permite coordenação flexível e orgânica entre vários robôs sem infraestrutura complexa de comunicação.

A tecnologia também é projetada para ser valiosa para o monitoramento não tripulado de fábrica 24 horas. Ele pode detectar e localizar automaticamente sons indicativos de vazamentos de tubos, anomalias de máquinas ou acidentes de trabalho, permitindo respostas imediatas. Além disso, devido ao seu design de baixo custo e compacto com base em um único sensor, o sistema possui versatilidade para facilitar a adoção em outros locais industriais que se movem em direção à automação.

O professor Sung-Hoon Ahn enfatizou o potencial da tecnologia auditiva, afirmando: “Ao contrário das ondas eletromagnéticas usadas nas tecnologias tradicionais de comunicação, que são obstruídas por paredes ou obstáculos, o som pode passar por lacunas estreitas e ser ouvido, tornando-o um meio promissor para novos métodos de interação”.

O Doutoral Candidate Semin Ahn, o principal autor do artigo, refletiu sobre o processo de pesquisa: “Anteriormente, determinando posições usando som exigia vários sensores ou cálculos complexos. Desenvolvendo um sensor 3D capaz de localizar com precisão fontes de som com apenas um microfone único rotativo abre novas avenidas na tecnologia de sensor acústico”.

Ahn, um candidato a doutorado no design inovador da Universidade Nacional de Seul e laboratório de fabricação integrado, está atualmente pesquisando o desenvolvimento de um “filtro de passagem de banda acústica” baseado em estruturas inteligentes. Essa tecnologia tem como objetivo capturar seletivamente sons de frequência específica, mesmo em ambientes de alto ruído.

O plano futuro envolve o aprimoramento do sistema 3DAR em um sistema auditivo robótico mais avançado, integrando-o com sistemas cognitivos baseados em Modelo de Linguagem Grande (LLM) para permitir que os robôs entendam o significado de sons como humanos e aplique isso a robôs humanóides.