Dans le film  » Ant-Man « , le personnage titre peut rapetisser et voyager en planant sur le dos d’un insecte. Aujourd’hui, des chercheurs de l’université de Washington ont mis au point une minuscule caméra orientable sans fil qui peut également monter à bord d’un insecte, donnant ainsi à tout le monde la possibilité de voir une vision du monde à la Ant-Man.

La caméra, qui diffuse des vidéos sur un smartphone à raison de 1 à 5 images par seconde, repose sur un bras mécanique qui peut pivoter de 60 degrés. Cela permet à un spectateur de capturer un cliché panoramique haute résolution ou de suivre un objet en mouvement tout en dépensant une quantité minimale d’énergie. Pour démontrer la polyvalence de ce système, qui pèse environ 250 milligrammes – soit environ un dixième du poids d’une carte à jouer – l’équipe l’a monté sur des scarabées vivants et des robots de la taille d’un insecte.

Les résultats seront publiés aujourd’hui (15 juillet 2020) dans Science Robotics.

Des chercheurs de l’Université de Washington ont mis au point une minuscule caméra qui peut monter à bord d’un insecte ou d’un robot de la taille d’un insecte.

« Nous avons créé un système de caméra sans fil à faible puissance et à faible poids qui peut capturer une vue à la première personne de ce qui se passe à partir d’un insecte vivant réel ou créer une vision pour de petits robots », a déclaré l’auteur principal Shyam Gollakota, professeur associé de l’UW à l’école d’informatique Paul G. Allen & Ingénierie. « La vision est si importante pour la communication et la navigation, mais il est extrêmement difficile de la réaliser à une si petite échelle. Par conséquent, avant nos travaux, la vision sans fil n’était pas possible pour les petits robots ou les insectes. »

Les petites caméras typiques, comme celles utilisées dans les smartphones, utilisent beaucoup d’énergie pour capturer des photos grand angle et haute résolution, et cela ne fonctionne pas à l’échelle de l’insecte. Si les appareils photo eux-mêmes sont légers, les batteries nécessaires à leur fonctionnement rendent le système global trop grand et trop lourd pour que les insectes – ou les robots de la taille d’un insecte – puissent le transporter. L’équipe a donc tiré une leçon de la biologie.

« Comme pour les caméras, la vision chez les animaux nécessite beaucoup d’énergie », a déclaré le co-auteur Sawyer Fuller, professeur adjoint d’ingénierie mécanique à l’UW. « C’est moins grave chez les créatures plus grandes comme les humains, mais les mouches utilisent 10 à 20% de leur énergie au repos juste pour alimenter leur cerveau, dont la majeure partie est consacrée au traitement visuel ». Pour réduire ce coût, certaines mouches disposent d’une petite région à haute résolution de leurs yeux composés. Elles tournent la tête pour se diriger vers l’endroit où elles veulent voir avec une clarté accrue, par exemple pour poursuivre une proie ou un compagnon. Cela permet d’économiser de l’énergie par rapport au fait d’avoir une haute résolution sur l’ensemble de leur champ visuel. »

Pour imiter la vision d’un animal, les chercheurs ont utilisé une minuscule caméra noir et blanc à très faible puissance qui peut balayer un champ de vision à l’aide d’un bras mécanique. Le bras bouge lorsque l’équipe applique une haute tension, ce qui fait plier le matériau et déplace la caméra dans la position souhaitée. Si l’équipe n’applique pas plus de puissance, le bras reste à cet angle pendant environ une minute avant de revenir à sa position initiale. C’est similaire à la façon dont les gens peuvent garder leur tête tournée dans une direction pendant seulement une courte période de temps avant de revenir à une position plus neutre.

« L’un des avantages de pouvoir déplacer la caméra est que vous pouvez obtenir une vue grand angle de ce qui se passe sans consommer une énorme quantité d’énergie », a déclaré le co-auteur principal Vikram Iyer, un étudiant en doctorat de l’UW en génie électrique et informatique. « Nous pouvons suivre un objet en mouvement sans avoir à dépenser l’énergie nécessaire pour déplacer un robot entier. Ces images sont également à une résolution plus élevée que si nous utilisions un objectif grand angle, qui créerait une image avec le même nombre de pixels divisés sur une zone beaucoup plus grande. »

La caméra et le bras sont contrôlés via Bluetooth à partir d’un smartphone à une distance allant jusqu’à 120 mètres, juste un peu plus longue qu’un terrain de football.

Les chercheurs ont fixé leur système amovible sur le dos de deux types de coléoptères différents – un coléoptère de la mort et un coléoptère Pinacate. Des coléoptères similaires sont connus pour être capables de porter des charges plus lourdes qu’un demi-gramme, ont indiqué les chercheurs.

« Nous nous sommes assurés que les coléoptères pouvaient encore se déplacer correctement lorsqu’ils portaient notre système », a déclaré le coauteur principal Ali Najafi, un doctorant en génie électrique et informatique de l’UW. « Ils étaient capables de naviguer librement sur du gravier, de monter une pente et même de grimper aux arbres. »

Les scarabées ont également vécu pendant au moins un an après la fin de l’expérience.

« Nous avons ajouté un petit accéléromètre à notre système pour pouvoir détecter quand le scarabée se déplace. Ensuite, il ne capture des images que pendant ce laps de temps », a déclaré Iyer. « Si la caméra se contente de diffuser en continu sans cet accéléromètre, nous pouvions enregistrer une à deux heures avant que la batterie ne se vide. Avec l’accéléromètre, nous pouvions enregistrer pendant six heures ou plus, en fonction du niveau d’activité du scarabée. »

Les chercheurs ont également utilisé leur système de caméra pour concevoir le plus petit robot terrestre autonome en énergie avec une vision sans fil. Ce robot de la taille d’un insecte utilise des vibrations pour se déplacer et consomme presque la même énergie que celle dont ont besoin les radios Bluetooth à faible puissance pour fonctionner.

L’équipe a toutefois constaté que les vibrations secouaient la caméra et produisaient des images déformées. Les chercheurs ont résolu ce problème en demandant au robot de s’arrêter momentanément, de prendre une photo puis de reprendre sa route. Avec cette stratégie, le système était encore capable de se déplacer d’environ 2 à 3 centimètres par seconde – plus rapidement que tout autre petit robot qui utilise des vibrations pour se déplacer – et avait une autonomie d’environ 90 minutes.

Bien que l’équipe soit enthousiasmée par le potentiel des caméras mobiles légères et à faible puissance, les chercheurs reconnaissent que cette technologie s’accompagne d’une nouvelle série de risques pour la vie privée.

« En tant que chercheurs, nous croyons fermement qu’il est vraiment important de mettre les choses dans le domaine public afin que les gens soient conscients des risques et que les gens puissent commencer à trouver des solutions pour les aborder », a déclaré Gollakota.

Les applications pourraient aller de la biologie à l’exploration de nouveaux environnements, ont déclaré les chercheurs. L’équipe espère que les futures versions de la caméra nécessiteront encore moins d’énergie et seront sans batterie, potentiellement alimentées par l’énergie solaire.

« C’est la première fois que nous avons une vue à la première personne de l’arrière d’un scarabée pendant qu’il se déplace. Il y a tellement de questions que l’on pourrait explorer, comme par exemple comment le scarabée réagit-il aux différents stimuli qu’il voit dans l’environnement ? ». a déclaré M. Iyer. « Mais aussi, les insectes peuvent traverser des environnements rocheux, ce qui est vraiment difficile à faire pour les robots à cette échelle. Donc ce système peut aussi nous aider en nous permettant de voir ou de collecter des échantillons dans des espaces difficiles à parcourir. »

Référence : « Vision orientable sans fil pour les insectes vivants et les robots à l’échelle des insectes » par Vikram Iyer, Ali Najafi, Johannes James, Sawyer Fuller et Shyamnath Gollakota, 15 juillet 2020, Science Robotics.

Johannes James, un étudiant en doctorat en génie mécanique de l’UW, est également coauteur de cet article. Cette recherche a été financée par une bourse de Microsoft et la National Science Foundation.