I filmen “Ant-Man” kan titelfiguren skrumpe ind i størrelse og rejse ved at svæve på ryggen af et insekt. Nu har forskere fra University of Washington udviklet et lille trådløst, styrbart kamera, der også kan ride om bord på et insekt, så alle får mulighed for at se Ant-Man’s syn på verden.

Kameraet, der streamer video til en smartphone med 1 til 5 billeder i sekundet, sidder på en mekanisk arm, der kan dreje 60 grader. Dette giver en seer mulighed for at optage et panoramabillede i høj opløsning eller følge et objekt i bevægelse, mens der bruges en minimal mængde energi. For at demonstrere alsidigheden af dette system, der vejer omkring 250 milligram – ca. en tiendedel af vægten af et spillekort – monterede holdet det på toppen af levende biller og robotter i insektstørrelse.

Resultaterne vil blive offentliggjort i dag (15. juli 2020) i Science Robotics.

Forskere ved University of Washington har udviklet et lillebitte kamera, der kan køre om bord på et insekt eller en robot i insektstørrelse.

“Vi har skabt et trådløst kamerasystem med lavt strømforbrug og lav vægt, der kan optage et førstepersonsbillede af, hvad der sker fra et faktisk levende insekt eller skabe vision for små robotter”, siger seniorforfatter Shyam Gollakota, en UW lektor ved Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering. “Synet er så vigtigt for kommunikation og navigation, men det er ekstremt udfordrende at gøre det i så lille en skala. Derfor har trådløst syn før vores arbejde ikke været muligt for små robotter eller insekter.”

Typiske små kameraer, som f.eks. dem, der bruges i smartphones, bruger meget strøm til at tage vidvinkelbilleder med høj opløsning, og det fungerer ikke på insektskalaen. Selv om kameraerne i sig selv er lette, gør de batterier, de har brug for til at understøtte dem, det samlede system for stort og tungt til, at insekter – eller robotter i insektstørrelse – kan slæbe rundt på det. Så holdet tog en lektion fra biologien.

“Ligesom kameraer kræver dyrs syn en masse strøm”, siger Sawyer Fuller, medforfatter og UW-assistentprofessor i maskinteknik, som er medforfatter. “Det er ikke så stort hos større væsener som mennesker, men fluer bruger 10 til 20 % af deres hvileenergi bare til at drive deres hjerne, hvoraf det meste går til visuel behandling. For at hjælpe med at reducere omkostningerne har nogle fluer et lille, højopløseligt område af deres sammensatte øjne. De drejer hovedet for at styre, hvor de ønsker at se med ekstra klarhed, f.eks. for at jage et bytte eller en mage. Dette sparer strøm i forhold til at have en høj opløsning i hele deres synsfelt.”

For at efterligne et dyrs syn har forskerne brugt et lille sort-hvid kamera med ultra lav effekt, der kan feje hen over et synsfelt ved hjælp af en mekanisk arm. Armen bevæger sig, når holdet anvender en høj spænding, hvilket får materialet til at bøje sig og flytte kameraet til den ønskede position. Medmindre holdet anvender mere strøm, forbliver armen i den pågældende vinkel i ca. et minut, før den slapper af og vender tilbage til sin oprindelige position. Dette svarer til, hvordan mennesker kun kan holde hovedet drejet i én retning i en kort periode, før de vender tilbage til en mere neutral position.

“En fordel ved at kunne bevæge kameraet er, at man kan få et vidvinkelbillede af det, der sker, uden at bruge en enorm mængde strøm”, siger medforfatter Vikram Iyer, en UW-doktorand i elektro- og datateknik, der er medforfatter. “Vi kan følge et objekt i bevægelse uden at skulle bruge energi på at flytte en hel robot. Disse billeder har også en højere opløsning, end hvis vi brugte et vidvinkelobjektiv, som ville skabe et billede med det samme antal pixels fordelt over et meget større område.”

Kameraet og armen styres via Bluetooth fra en smartphone fra en afstand på op til 120 meter, hvilket kun er lidt længere end en fodboldbane.

Forskerne fastgjorde deres aftagelige system på ryggen af to forskellige typer biller – en dødsfødende bille og en Pinacate-bille. Lignende biller er kendt for at kunne bære belastninger, der er tungere end et halvt gram, sagde forskerne.

“Vi sørgede for, at billerne stadig kunne bevæge sig ordentligt, når de bar vores system,” sagde medhovedforfatter Ali Najafi, en UW-doktorand i elektrisk og computerteknik. “De kunne navigere frit over grus, op ad en skråning og endda klatre i træer.”

Billerne levede også i mindst et år, efter at forsøget var afsluttet.

“Vi tilføjede et lille accelerometer til vores system for at kunne registrere, når billen bevæger sig. Så optager det kun billeder i det tidsrum,” sagde Iyer. “Hvis kameraet bare streamer kontinuerligt uden dette accelerometer, kunne vi optage en til to timer, før batteriet døde. Med accelerometeret kunne vi optage i seks timer eller mere, afhængigt af billens aktivitetsniveau.”

Forskerne brugte også deres kamerasystem til at designe verdens mindste terrestriske, strømautonome robot med trådløst syn. Denne robot i insektstørrelse bruger vibrationer til at bevæge sig og bruger næsten den samme strøm, som Bluetooth-radioer med lav effekt skal bruge for at fungere.

Teamet fandt imidlertid ud af, at vibrationerne rystede kameraet og gav forvrængede billeder. Forskerne løste dette problem ved at lade robotten stoppe et øjeblik, tage et billede og derefter genoptage sin rejse. Med denne strategi var systemet stadig i stand til at bevæge sig omkring 2 til 3 centimeter i sekundet – hurtigere end nogen anden lille robot, der bruger vibrationer til at bevæge sig – og havde en batterilevetid på omkring 90 minutter.

Selv om holdet er begejstret for potentialet for lette og strømbesparende mobilkameraer, erkender forskerne, at denne teknologi kommer med et nyt sæt af risici for privatlivets fred.

“Som forskere tror vi stærkt på, at det er virkelig vigtigt at gøre tingene offentligt tilgængelige, så folk er opmærksomme på risiciene, og så folk kan begynde at komme med løsninger til at løse dem,” sagde Gollakota.

Anvendelserne kunne spænde fra biologi til udforskning af nye miljøer, sagde forskerne. Holdet håber, at fremtidige versioner af kameraet vil kræve endnu mindre strøm og være batterifri og potentielt solcelledrevet.

“Det er første gang, at vi har haft et førstepersonsbillede fra bagsiden af en bille, mens den går rundt. Der er så mange spørgsmål, man kan undersøge, f.eks. hvordan reagerer billen på forskellige stimuli, som den ser i omgivelserne?” sagde Iyer. “Men insekter kan også bevæge sig gennem stenede miljøer, hvilket er virkelig udfordrende for robotter at gøre i denne skala. Så dette system kan også hjælpe os ved at lade os se eller indsamle prøver fra områder, der er svære at navigere i.”

Reference: “Wireless steerable vision for live insects and insect-scale robots” af Vikram Iyer, Ali Najafi, Johannes James, Sawyer Fuller og Shyamnath Gollakota, 15 July 2020, Science Robotics.

Johannes James, en UW-doktorand i maskinteknik, er også medforfatter på denne artikel. Denne forskning blev finansieret af et Microsoft-stipendium og National Science Foundation.