Ve filmu „Ant-Man“ se titulní hrdina dokáže zmenšit a cestovat tak, že se vznese na hřbetě hmyzu. Nyní vědci z Washingtonské univerzity vyvinuli malou bezdrátově ovladatelnou kameru, která se také může vozit na palubě hmyzu, takže každý bude mít možnost vidět pohled na svět jako v Ant-Manovi.

Kamera, která přenáší video do chytrého telefonu rychlostí 1 až 5 snímků za sekundu, je umístěna na mechanickém rameni, které se může otáčet o 60 stupňů. To umožňuje divákovi zachytit panoramatický záběr s vysokým rozlišením nebo sledovat pohybující se objekt při vynaložení minimálního množství energie. Aby tým demonstroval všestrannost tohoto systému, který váží asi 250 miligramů, tedy asi desetinu hmotnosti hrací karty, namontoval jej na živé brouky a roboty velikosti hmyzu.

Výsledky budou dnes (15. července 2020) zveřejněny v časopise Science Robotics.

Výzkumníci z Washingtonské univerzity vyvinuli malou kameru, která může jezdit na palubě hmyzu nebo robota velikosti hmyzu.

„Vytvořili jsme bezdrátový kamerový systém s nízkou spotřebou a hmotností, který dokáže zachytit pohled první osoby na dění ze skutečného živého hmyzu nebo vytvořit vidění pro malé roboty,“ uvedl hlavní autor Shyam Gollakota, docent UW na Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering. „Vidění je velmi důležité pro komunikaci a navigaci, ale je nesmírně náročné ho provádět v tak malém měřítku. Výsledkem je, že před naší prací nebylo bezdrátové vidění pro malé roboty nebo hmyz možné.“

Typické malé kamery, například ty používané v chytrých telefonech, spotřebovávají hodně energie na pořízení širokoúhlých snímků s vysokým rozlišením, a to v měřítku hmyzu nefunguje. Samotné kamery jsou sice lehké, ale baterie, které potřebují pro svou podporu, činí celý systém příliš velkým a těžkým na to, aby ho hmyz – nebo roboti velikosti hmyzu – mohli nosit s sebou. Tým si proto vzal ponaučení z biologie.

„Podobně jako kamery, i vidění u živočichů vyžaduje hodně energie,“ řekl spoluautor Sawyer Fuller, odborný asistent strojního inženýrství na UW. „U větších tvorů, jako je člověk, je to menší problém, ale mouchy spotřebovávají 10 až 20 % své klidové energie jen na napájení mozku, z čehož většina je věnována zpracování zraku. Aby se tyto náklady snížily, mají některé mouchy malou oblast složených očí s vysokým rozlišením. Otáčejí hlavou, aby se řídily tam, kde chtějí vidět s větší ostrostí, například při pronásledování kořisti nebo partnera. To šetří energii oproti tomu, že mají vysoké rozlišení v celém svém zorném poli.“

Pro napodobení zvířecího vidění použili vědci malou černobílou kameru s velmi nízkým výkonem, která dokáže pomocí mechanického ramene procházet zorným polem. Rameno se pohybuje, když tým přivede vysoké napětí, které způsobí, že se materiál ohne a posune kameru do požadované polohy. Pokud tým nepřiloží více energie, rameno zůstane v tomto úhlu asi minutu, než se uvolní zpět do původní polohy. Je to podobné, jako když lidé dokážou udržet hlavu natočenou jedním směrem jen krátkou dobu, než se vrátí do neutrálnější polohy.

„Jednou z výhod možnosti pohybovat kamerou je, že můžete získat širokoúhlý pohled na to, co se děje, aniž byste spotřebovali obrovské množství energie,“ řekl spoluautor Vikram Iyer, doktorand UW v oboru elektrotechniky a počítačového inženýrství. „Můžeme sledovat pohybující se objekt, aniž bychom museli vynakládat energii na pohyb celého robota. Tyto snímky mají také vyšší rozlišení, než kdybychom použili širokoúhlý objektiv, který by vytvořil obraz se stejným počtem pixelů rozdělených na mnohem větší plochu.“

Kamera a rameno se ovládají pomocí Bluetooth z chytrého telefonu ze vzdálenosti až 120 metrů, což je jen o něco málo více než fotbalové hřiště.

Výzkumníci připevnili svůj odnímatelný systém na záda dvou různých druhů brouků – smrtihlava a brouka Pinacate. Podobní brouci jsou podle vědců schopni nést břemena těžší než půl gramu.

„Ujistili jsme se, že brouci se mohou správně pohybovat i tehdy, když nesou náš systém,“ řekl jeden z hlavních autorů Ali Najafi, doktorand elektrotechniky a počítačového inženýrství na UW. „Dokázali se volně pohybovat po štěrku, po svahu a dokonce šplhat po stromech.“

Brouci také žili nejméně rok po ukončení experimentu.

„Do našeho systému jsme přidali malý akcelerometr, abychom byli schopni detekovat, kdy se brouk pohybuje. Pak pořizuje snímky pouze během této doby,“ řekl Iyer. „Pokud by kamera jen nepřetržitě streamovala bez tohoto akcelerometru, mohli bychom nahrávat jednu až dvě hodiny, než by se vybila baterie. S akcelerometrem bychom mohli nahrávat šest i více hodin, v závislosti na úrovni aktivity brouka.“

Výzkumníci také využili svůj kamerový systém k návrhu nejmenšího pozemního, energeticky autonomního robota na světě s bezdrátovým viděním. Tento robot velikosti hmyzu využívá k pohybu vibrace a spotřebovává téměř stejnou energii, jakou potřebují k provozu nízkovýkonné vysílačky Bluetooth.

Tým však zjistil, že vibrace kamerou otřásají a vytvářejí zkreslený obraz. Výzkumníci tento problém vyřešili tak, že robot na chvíli zastavil, pořídil snímek a poté pokračoval v jízdě. S touto strategií se systém stále dokázal pohybovat asi 2 až 3 centimetry za sekundu – rychleji než jakýkoli jiný malý robot, který k pohybu využívá vibrace – a měl výdrž baterie asi 90 minut.

Ačkoli je tým nadšený potenciálem lehkých mobilních kamer s nízkou spotřebou energie, výzkumníci uznávají, že tato technologie s sebou nese nová rizika pro soukromí.

„Jako výzkumníci jsme pevně přesvědčeni, že je opravdu důležité, aby se věci dostaly na veřejnost, aby si lidé uvědomili rizika a aby mohli začít přicházet s řešeními, jak je řešit,“ řekl Gollakota.

Použití by mohlo sahat od biologie až po zkoumání nových prostředí, uvedli výzkumníci. Tým doufá, že budoucí verze kamery budou vyžadovat ještě méně energie a budou bez baterií, případně na solární pohon.

„Je to poprvé, co máme k dispozici pohled první osoby ze zadní části brouka při jeho chůzi. Je tu tolik otázek, které by se daly prozkoumat, například jak brouk reaguje na různé podněty, které vidí v okolí.“ Iyer řekl. „Ale také hmyz dokáže procházet skalnatým prostředím, což je pro roboty v tomto měřítku opravdu náročné. Takže tento systém nám může pomoci i tím, že nám umožní vidět nebo sbírat vzorky z těžko průchodných prostor.“

Reference: „Všichni hmyzáci, kteří se pohybují v těžko průchodných prostorech, se mohou pohybovat v těžko průchodných prostorech: „Vikram Iyer, Ali Najafi, Johannes James, Sawyer Fuller a Shyamnath Gollakota, 15. července 2020, Science Robotics.

Johannes James, doktorand strojního inženýrství na UW, je také spoluautorem tohoto článku. Tento výzkum byl financován ze stipendia společnosti Microsoft a National Science Foundation.

.