En la película «Ant-Man», el personaje del título puede reducir su tamaño y viajar volando a lomos de un insecto. Ahora, investigadores de la Universidad de Washington han desarrollado una diminuta cámara inalámbrica orientable que también puede ir a bordo de un insecto, lo que permite a todo el mundo ver una visión del mundo como la del Hombre Hormiga.

La cámara, que transmite vídeo a un smartphone a una velocidad de entre 1 y 5 fotogramas por segundo, se asienta sobre un brazo mecánico que puede girar 60 grados. Esto permite al espectador capturar una toma panorámica de alta resolución o seguir un objeto en movimiento con un gasto mínimo de energía. Para demostrar la versatilidad de este sistema, que pesa unos 250 miligramos -aproximadamente una décima parte del peso de un naipe-, el equipo lo montó encima de escarabajos vivos y robots del tamaño de un insecto.

Los resultados se publicarán hoy (15 de julio de 2020) en Science Robotics.

Investigadores de la Universidad de Washington han desarrollado una diminuta cámara que puede ir a bordo de un insecto o de un robot del tamaño de un insecto.

«Hemos creado un sistema de cámara inalámbrica de bajo consumo y peso que puede captar una visión en primera persona de lo que ocurre desde un insecto vivo real o crear una visión para pequeños robots», dijo el autor principal Shyam Gollakota, profesor asociado de la UW en la Escuela Paul G. Allen de Ingeniería &Informática. «La visión es muy importante para la comunicación y la navegación, pero es extremadamente difícil hacerlo a una escala tan pequeña. Como resultado, antes de nuestro trabajo, la visión inalámbrica no ha sido posible para los pequeños robots o insectos»

Las cámaras pequeñas típicas, como las utilizadas en los teléfonos inteligentes, utilizan una gran cantidad de energía para capturar fotos de gran angular y alta resolución, y eso no funciona a escala de los insectos. Aunque las cámaras en sí son ligeras, las baterías que necesitan para funcionar hacen que el sistema sea demasiado grande y pesado para que los insectos, o los robots del tamaño de un insecto, puedan transportarlo. Así que el equipo tomó una lección de la biología.

«Al igual que las cámaras, la visión en los animales requiere mucha energía», dijo el coautor Sawyer Fuller, profesor asistente de ingeniería mecánica de la UW. «En las criaturas más grandes, como los humanos, es menos importante, pero las moscas utilizan entre el 10 y el 20% de su energía en reposo sólo para alimentar sus cerebros, la mayor parte de la cual se dedica al procesamiento visual». Para ayudar a reducir el coste, algunas moscas tienen una pequeña región de alta resolución en sus ojos compuestos. Giran la cabeza para dirigirla hacia donde quieren ver con mayor claridad, por ejemplo, para perseguir a una presa o a una pareja. Esto ahorra energía respecto a tener una alta resolución en todo su campo visual.»

Para imitar la visión de un animal, los investigadores utilizaron una diminuta cámara en blanco y negro de muy baja potencia que puede barrer un campo de visión con la ayuda de un brazo mecánico. El brazo se mueve cuando el equipo aplica un alto voltaje, que hace que el material se doble y mueva la cámara a la posición deseada. A menos que el equipo aplique más potencia, el brazo permanece en ese ángulo durante aproximadamente un minuto antes de relajarse de nuevo a su posición original. Esto es similar a la forma en que las personas pueden mantener su cabeza girada en una dirección sólo por un corto período de tiempo antes de volver a una posición más neutral.

«Una de las ventajas de poder mover la cámara es que se puede obtener una vista de gran ángulo de lo que está sucediendo sin consumir una gran cantidad de energía», dijo el coautor principal Vikram Iyer, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática de la UW. «Podemos seguir un objeto en movimiento sin tener que gastar la energía necesaria para mover un robot entero. Además, estas imágenes tienen una mayor resolución que si utilizáramos un objetivo gran angular, que crearía una imagen con el mismo número de píxeles repartidos en un área mucho mayor».

La cámara y el brazo se controlan a través de Bluetooth desde un smartphone desde una distancia de hasta 120 metros, apenas un poco más larga que un campo de fútbol.

Los investigadores fijaron su sistema desmontable a la espalda de dos tipos diferentes de escarabajos: un escarabajo de la muerte y un escarabajo pinacate. Se sabe que escarabajos similares son capaces de transportar cargas de más de medio gramo, dijeron los investigadores.

«Nos aseguramos de que los escarabajos pudieran seguir moviéndose correctamente cuando llevaban nuestro sistema», dijo el coautor principal Ali Najafi, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica e informática de la UW. «Fueron capaces de navegar libremente por la grava, subir una pendiente e incluso trepar a los árboles».

Los escarabajos también vivieron durante al menos un año después de finalizar el experimento.

«Añadimos un pequeño acelerómetro a nuestro sistema para poder detectar cuándo se mueve el escarabajo. Entonces sólo captura imágenes durante ese tiempo», dijo Iyer. «Si la cámara se limita a transmitir continuamente sin este acelerómetro, podríamos grabar una o dos horas antes de que la batería se agotara. Con el acelerómetro, podríamos grabar durante seis horas o más, dependiendo del nivel de actividad del escarabajo».

Los investigadores también utilizaron su sistema de cámaras para diseñar el robot terrestre autónomo más pequeño del mundo con visión inalámbrica. Este robot del tamaño de un insecto utiliza vibraciones para moverse y consume casi la misma energía que necesitan las radios Bluetooth de baja potencia para funcionar.

El equipo descubrió, sin embargo, que las vibraciones sacudían la cámara y producían imágenes distorsionadas. Los investigadores resolvieron este problema haciendo que el robot se detuviera momentáneamente, tomara una foto y luego reanudara su camino. Con esta estrategia, el sistema seguía siendo capaz de moverse entre 2 y 3 centímetros por segundo -más rápido que cualquier otro robot diminuto que utilice las vibraciones para moverse- y tenía una duración de la batería de unos 90 minutos.

Aunque el equipo está entusiasmado con el potencial de las cámaras móviles ligeras y de bajo consumo, los investigadores reconocen que esta tecnología conlleva un nuevo conjunto de riesgos para la privacidad.

«Como investigadores, creemos firmemente que es muy importante hacer públicas las cosas para que la gente sea consciente de los riesgos y pueda empezar a encontrar soluciones para afrontarlos», dijo Gollakota.

Las aplicaciones podrían ir desde la biología hasta la exploración de nuevos entornos, dijeron los investigadores. El equipo espera que las futuras versiones de la cámara requieran aún menos energía y no necesiten baterías, y que puedan funcionar con energía solar.

«Es la primera vez que tenemos una vista en primera persona desde la parte trasera de un escarabajo mientras camina. Hay muchas preguntas que se podrían explorar, como por ejemplo, ¿cómo responde el escarabajo a los diferentes estímulos que ve en el entorno?» dijo Iyer. «Pero además, los insectos pueden atravesar entornos rocosos, lo que es un verdadero reto para los robots a esta escala. Así que este sistema también puede ayudarnos permitiéndonos ver o recoger muestras de espacios difíciles de recorrer».»

Referencia: «Wireless steerable vision for live insects and insect-scale robots», por Vikram Iyer, Ali Najafi, Johannes James, Sawyer Fuller y Shyamnath Gollakota, 15 de julio de 2020, Science Robotics.

Johannes James, estudiante de doctorado de ingeniería mecánica de la UW, es también coautor de este trabajo. Esta investigación fue financiada por una beca de Microsoft y por la National Science Foundation.