Muurahaismies-elokuvassa nimihenkilö voi kutistua ja matkustaa liidellen hyönteisen selässä. Nyt Washingtonin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet pienen, langattomasti ohjattavan kameran, joka voi myös ratsastaa hyönteisen kyydissä ja antaa kaikille mahdollisuuden nähdä Muurahaismiehen näkemyksen maailmasta.

Kamera, joka lähettää videokuvaa älypuhelimeen 1-5 kuvan sekuntinopeudella, istuu mekaanisessa käsivarressa, joka voi kääntyä 60 astetta. Näin katsoja voi ottaa korkearesoluutioisen panoraamakuvan tai seurata liikkuvaa kohdetta kuluttamalla vain vähän energiaa. Osoittaakseen tämän noin 250 milligrammaa – noin kymmenesosan pelikortin painosta – painavan järjestelmän monipuolisuuden tiimi asensi sen elävien kovakuoriaisten ja hyönteisen kokoisten robottien päälle.

Tulokset julkaistaan tänään (15.7.2020) Science Robotics -lehdessä.

Washingtonin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet pikkuruisen kameran, joka voi ratsastaa hyönteisen tai hyönteisen kokoisen robotin kyydissä.

”Olemme luoneet vähävirtaisen, pienipainoisen ja langattoman kamerajärjestelmän, joka voi kuvata ensimmäisen persoonan näkymän siitä, mitä tapahtuu todellisesta elävästä hyönteisestä, tai luoda näkymän pienille roboteille”, sanoo vanhempi kirjoittaja Shyam Gollakota, UW:n apulaisprofessori Paul G. Allenin tietotekniikan & insinööritieteiden & koulussa. ”Näkeminen on niin tärkeää viestinnälle ja navigoinnille, mutta sen tekeminen näin pienessä mittakaavassa on äärimmäisen haastavaa. Tämän vuoksi ennen työtämme langaton visio ei ole ollut mahdollista pienille roboteille tai hyönteisille.”

Tyypilliset pienet kamerat, kuten älypuhelimissa käytettävät, käyttävät paljon tehoa laajakulmaisten, korkearesoluutioisten valokuvien ottamiseen, ja se ei toimi hyönteisten mittakaavassa. Vaikka kamerat itsessään ovat kevyitä, niiden tarvitsemat akut tekevät kokonaisjärjestelmästä liian suuren ja painavan hyönteisille – tai hyönteisen kokoisille roboteille – kuljetettavaksi. Joten tiimi otti oppia biologiasta.

”Samoin kuin kamerat, myös eläinten näkö vaatii paljon virtaa”, sanoo toinen kirjoittaja Sawyer Fuller, UW:n konetekniikan apulaisprofessori. ”Se ei ole yhtä suuri asia isommilla eläimillä, kuten ihmisillä, mutta kärpäset käyttävät 10-20 prosenttia lepoenergiastaan pelkästään aivojensa virransyöttöön, josta suurin osa kuluu visuaaliseen prosessointiin. Kustannusten vähentämiseksi joillakin kärpäsillä on pieni, korkearesoluutioinen alue yhdistelmäsilmissään. Ne kääntävät päätään ohjatakseen sinne, minne ne haluavat nähdä erityisen tarkasti, esimerkiksi saaliin tai parin jahtaamiseen. Tämä säästää virtaa verrattuna siihen, että niillä olisi korkea resoluutio koko näkökentässä.”

Jäljitelläkseen eläimen näkökykyä tutkijat käyttivät pientä, erittäin pienitehoista mustavalkokameraa, joka voi pyyhkäistä näkökentän poikki mekaanisen käsivarren avulla. Käsivarsi liikkuu, kun tutkimusryhmä kytkee siihen korkean jännitteen, joka saa materiaalin taipumaan ja siirtämään kameran haluttuun asentoon. Ellei tiimi lisää virtaa, käsivarsi pysyy kyseisessä kulmassa noin minuutin ajan ennen kuin se rentoutuu takaisin alkuperäiseen asentoonsa. Tämä on samankaltaista kuin se, miten ihmiset voivat pitää päänsä käännettynä yhteen suuntaan vain lyhyen aikaa ennen kuin palaavat neutraalimpaan asentoon.

”Yksi etu kameran liikuttelussa on se, että saat laajakulmanäkymän siitä, mitä tapahtuu, kuluttamatta valtavasti virtaa”, sanoo toinen pääkirjoittaja Vikram Iyer, UW:n sähkö- ja tietotekniikan tohtorikoulutettava. ”Voimme seurata liikkuvaa kohdetta tarvitsematta käyttää energiaa koko robotin liikuttamiseen. Nämä kuvat ovat myös korkeammalla resoluutiolla kuin jos käyttäisimme laajakulmaobjektiivia, joka loisi kuvan, jossa sama määrä pikseleitä olisi jaettu paljon suuremmalle alueelle.”

Kameraa ja käsivartta ohjataan älypuhelimesta Bluetoothin välityksellä jopa 120 metrin etäisyydeltä, joka on vain hieman jalkapallokenttää pidempi.

Tutkijat kiinnittivät irrotettavan järjestelmänsä kahden erilaisen kuoriaistyypin – kuolonkärsäkkään ja Pinacate-kuoriaisen – selkään. Samankaltaisten kovakuoriaisten tiedetään tutkijoiden mukaan pystyvän kantamaan yli puoli grammaa painavampia kuormia.

”Varmistimme, että kovakuoriaiset pystyivät edelleen liikkumaan kunnolla, kun ne kantoivat järjestelmäämme”, sanoi toinen pääkirjoittaja Ali Najafi, UW:n sähkö- ja tietotekniikan tohtorikoulutettava. ”Ne pystyivät liikkumaan vapaasti soran päällä, rinteessä ja jopa kiipeilemään puihin.”

Kuoriaiset myös elivät ainakin vuoden ajan kokeen päättymisen jälkeen.

”Lisäsimme järjestelmäämme pienen kiihtyvyysanturin, jotta pystymme havaitsemaan, milloin kuoriainen liikkuu. Sitten se ottaa kuvia vain tuona aikana”, Iyer sanoi. ”Jos kamera vain suoratoistaa jatkuvasti ilman tätä kiihtyvyysmittaria, pystyimme tallentamaan yhdestä kahteen tuntia ennen kuin akku loppui. Kiihtyvyysanturin kanssa voisimme tallentaa kuuden tunnin ajan tai pidempäänkin, riippuen kuoriaisen aktiivisuustasosta.”

Tutkijat käyttivät kamerajärjestelmäänsä myös maailman pienimmän langattomalla näköyhteydellä varustetun maalla liikkuvan, virtaa käyttävän autonomisen robotin suunnitteluun. Tämä hyönteisen kokoinen robotti käyttää liikkumiseen värähtelyjä ja kuluttaa lähes saman verran virtaa kuin pienitehoiset Bluetooth-radiot tarvitsevat toimiakseen.

Ryhmä havaitsi kuitenkin, että värähtelyt tärisyttivät kameraa ja tuottivat vääristynyttä kuvaa. Tutkijat ratkaisivat tämän ongelman siten, että robotti pysähtyi hetkeksi, otti kuvan ja jatkoi sitten matkaansa. Tällä strategialla järjestelmä pystyi silti liikkumaan noin 2-3 senttimetriä sekunnissa – nopeammin kuin mikään muu tärinää liikkumiseen käyttävä pikkurobotti – ja sen akkukesto oli noin 90 minuuttia.

Vaikka tiimi on innoissaan kevyiden ja vähävirtaisten mobiilikameroiden mahdollisuuksista, tutkijat myöntävät, että tämä tekniikka tuo mukanaan uudenlaisia yksityisyydensuojariskejä.

”Tutkijoina uskomme vahvasti, että on todella tärkeää tuoda asioita julkisuuteen, jotta ihmiset ovat tietoisia riskeistä ja jotta ihmiset voivat alkaa keksiä ratkaisuja niiden ratkaisemiseksi”, Gollakota sanoi.

Sovellukset voisivat ulottua biologiasta uusien ympäristöjen tutkimiseen, tutkijat sanoivat. Ryhmä toivoo, että kameran tulevat versiot vaatisivat vielä vähemmän virtaa ja olisivat akkuvapaita, mahdollisesti aurinkoenergialla toimivia.

”Tämä on ensimmäinen kerta, kun meillä on ensimmäisen persoonan näkymä kovakuoriaisen selästä sen kävellessä ympäriinsä. On niin monia kysymyksiä, joita voisi tutkia, kuten miten kovakuoriainen reagoi erilaisiin ärsykkeisiin, joita se näkee ympäristössään?” Iyer sanoi. ”Hyönteiset voivat myös kulkea kivisissä ympäristöissä, mikä on todella haastavaa roboteille tässä mittakaavassa. Joten tämä järjestelmä voi myös auttaa meitä antamalla meidän nähdä tai kerätä näytteitä vaikeasti navigoitavista tiloista.”

Viite: ”Wireless steerable vision for live insects and insect-scale robots” (Langaton ohjattava näkö eläville hyönteisille ja hyönteismittakaavan roboteille), kirjoittaneet Vikram Iyer, Ali Najafi, Johannes James, Sawyer Fuller ja Shyamnath Gollakota, 15.7.2020, tiedejulkaisu Robotics.

UW:n koneenrakennustekniikan tekniikan tohtoriopiskelijana työskentelevä Johannes James on myös toisena kirjoittajana tässä artikkelissa. Tutkimusta ovat rahoittaneet Microsoftin apuraha ja National Science Foundation.