In dem Film „Ant-Man“ kann die Hauptfigur schrumpfen und auf dem Rücken eines Insekts reisen. Jetzt haben Forscher der University of Washington eine winzige, drahtlos steuerbare Kamera entwickelt, die auch auf einem Insekt mitfliegen kann und jedem die Möglichkeit gibt, die Welt aus der Sicht von Ant-Man zu sehen.

Die Kamera, die Videos mit 1 bis 5 Bildern pro Sekunde an ein Smartphone überträgt, sitzt auf einem mechanischen Arm, der sich um 60 Grad drehen lässt. So kann der Betrachter mit minimalem Energieaufwand eine hochauflösende Panoramaaufnahme machen oder ein sich bewegendes Objekt verfolgen. Um die Vielseitigkeit dieses Systems zu demonstrieren, das etwa 250 Milligramm wiegt – etwa ein Zehntel des Gewichts einer Spielkarte – montierte das Team es auf lebende Käfer und Roboter in Insektengröße.

Die Ergebnisse werden heute (15. Juli 2020) in Science Robotics veröffentlicht.

Forscher der University of Washington haben eine winzige Kamera entwickelt, die auf einem Insekt oder einem Roboter in Insektengröße mitfahren kann.

„Wir haben ein drahtloses Kamerasystem mit geringem Stromverbrauch und geringem Gewicht entwickelt, das die Sicht aus der ersten Person eines lebenden Insekts oder die Sicht für kleine Roboter einfangen kann“, sagte der Hauptautor Shyam Gollakota, ein außerordentlicher Professor an der Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering der UW. „Sehen ist so wichtig für die Kommunikation und die Navigation, aber es ist extrem schwierig, dies in einem so kleinen Maßstab zu tun. Vor unserer Arbeit war drahtloses Sehen für kleine Roboter oder Insekten daher nicht möglich.“

Typische kleine Kameras, wie sie in Smartphones verwendet werden, verbrauchen viel Energie, um hochauflösende Weitwinkelaufnahmen zu machen, und das funktioniert im Insektenmaßstab nicht. Die Kameras selbst sind zwar leicht, aber die Batterien, die sie benötigen, machen das Gesamtsystem zu groß und schwer, als dass es von Insekten – oder insektengroßen Robotern – herumgetragen werden könnte. Das Team hat sich also von der Biologie inspirieren lassen.

„Ähnlich wie bei Kameras benötigt das Sehvermögen von Tieren viel Energie“, sagt Co-Autor Sawyer Fuller, ein UW-Assistenzprofessor für Maschinenbau. „Bei größeren Lebewesen wie dem Menschen ist das nicht so schlimm, aber Fliegen verbrauchen 10 bis 20 % ihrer Ruheenergie nur für die Versorgung ihres Gehirns, von dem der größte Teil für die visuelle Verarbeitung benötigt wird. Um die Kosten zu senken, verfügen einige Fliegen über einen kleinen, hochauflösenden Bereich ihrer Facettenaugen. Sie drehen ihren Kopf, um zu steuern, wo sie besonders gut sehen können, z. B. bei der Jagd nach Beute oder einem Partner.

Um das Sehvermögen eines Tieres zu imitieren, verwendeten die Forscher eine winzige Schwarz-Weiß-Kamera mit sehr geringem Stromverbrauch, die mit Hilfe eines mechanischen Arms über ein Sichtfeld schwenken kann. Der Arm bewegt sich, wenn das Team eine hohe Spannung anlegt, wodurch sich das Material biegt und die Kamera in die gewünschte Position bewegt. Wenn das Team keine weitere Spannung anlegt, bleibt der Arm etwa eine Minute lang in diesem Winkel, bevor er sich wieder in seine Ausgangsposition zurückbewegt. Dies ist vergleichbar mit der Art und Weise, wie Menschen ihren Kopf nur für kurze Zeit in eine Richtung drehen können, bevor sie in eine neutralere Position zurückkehren.

„Ein Vorteil der Möglichkeit, die Kamera zu bewegen, ist, dass man eine Weitwinkelsicht auf das Geschehen erhält, ohne eine große Menge an Energie zu verbrauchen“, sagte der Mitautor Vikram Iyer, ein UW-Doktorand in Elektrotechnik und Computertechnik. „Wir können ein sich bewegendes Objekt verfolgen, ohne dass wir die Energie aufwenden müssen, um einen ganzen Roboter zu bewegen. Diese Bilder haben auch eine höhere Auflösung, als wenn wir ein Weitwinkelobjektiv verwenden würden, das ein Bild mit der gleichen Anzahl von Pixeln über einen viel größeren Bereich verteilt erzeugen würde.“

Die Kamera und der Arm werden über Bluetooth von einem Smartphone aus einer Entfernung von bis zu 120 Metern gesteuert, nur etwas länger als ein Fußballfeld.

Die Forscher befestigten ihr abnehmbares System auf dem Rücken von zwei verschiedenen Käferarten – einem todbringenden Käfer und einem Pinacate-Käfer. Von ähnlichen Käfern ist bekannt, dass sie in der Lage sind, Lasten zu tragen, die schwerer als ein halbes Gramm sind, so die Forscher.

„Wir haben sichergestellt, dass die Käfer sich immer noch richtig bewegen konnten, wenn sie unser System trugen“, sagte Co-Autor Ali Najafi, ein UW-Doktorand in Elektrotechnik und Computertechnik. „

Die Käfer lebten auch noch mindestens ein Jahr nach dem Ende des Experiments.

„Wir haben einen kleinen Beschleunigungsmesser in unser System eingebaut, um zu erkennen, wann sich der Käfer bewegt. Dann nimmt es nur während dieser Zeit Bilder auf“, so Iyer. „Wenn die Kamera ohne diesen Beschleunigungsmesser nur kontinuierlich Bilder aufnimmt, können wir ein bis zwei Stunden aufnehmen, bevor die Batterie leer ist. Mit dem Beschleunigungsmesser können wir je nach Aktivitätsgrad des Käfers sechs Stunden oder länger aufzeichnen.“

Die Forscher nutzten ihr Kamerasystem auch, um den weltweit kleinsten terrestrischen, energieautonomen Roboter mit drahtloser Sicht zu entwickeln. Dieser insektengroße Roboter nutzt Vibrationen, um sich zu bewegen, und verbraucht fast so viel Strom wie Bluetooth-Funkgeräte mit geringer Leistung.

Das Team stellte jedoch fest, dass die Vibrationen die Kamera erschütterten und verzerrte Bilder erzeugten. Die Forscher lösten dieses Problem, indem sie den Roboter kurz anhalten, ein Bild aufnehmen und dann seine Fahrt fortsetzen ließen. Mit dieser Strategie war das System immer noch in der Lage, sich etwa 2 bis 3 Zentimeter pro Sekunde zu bewegen – schneller als jeder andere winzige Roboter, der sich durch Vibrationen fortbewegt – und hatte eine Akkulaufzeit von etwa 90 Minuten.

Das Team ist zwar begeistert von dem Potenzial für leichte und stromsparende mobile Kameras, aber die Forscher räumen ein, dass diese Technologie auch neue Risiken für den Datenschutz mit sich bringt.

„Als Forscher glauben wir fest daran, dass es wirklich wichtig ist, die Dinge öffentlich zu machen, damit die Menschen sich der Risiken bewusst werden und damit sie anfangen können, Lösungen zu finden, um sie anzugehen“, sagte Gollakota.

Anwendungen könnten von der Biologie bis zur Erkundung neuer Umgebungen reichen, so die Forscher. Das Team hofft, dass künftige Versionen der Kamera noch weniger Strom benötigen und batterielos sein werden, möglicherweise sogar solarbetrieben.

„Dies ist das erste Mal, dass wir einen Blick aus der Ich-Perspektive auf den Rücken eines Käfers werfen können, während er herumläuft. Es gibt so viele Fragen, die man erforschen könnte, z. B. wie reagiert der Käfer auf verschiedene Reize, die er in seiner Umgebung wahrnimmt?“ sagte Iyer. „Außerdem können Insekten felsige Umgebungen durchqueren, was für Roboter in diesem Maßstab eine echte Herausforderung ist. Dieses System kann uns also auch helfen, indem es uns ermöglicht, Proben in schwer zugänglichen Bereichen zu sehen oder zu sammeln.“

Referenz: „Wireless steerable vision for live insects and insect-scale robots“ von Vikram Iyer, Ali Najafi, Johannes James, Sawyer Fuller und Shyamnath Gollakota, 15. Juli 2020, Science Robotics.

Johannes James, ein UW-Doktorand des Maschinenbaus, ist ebenfalls Mitautor dieser Arbeit. Diese Forschung wurde durch ein Microsoft-Stipendium und die National Science Foundation finanziert.