A “Hangyaember” című filmben a címszereplő képes összezsugorodni és egy rovar hátán szárnyalva utazni. Most a Washingtoni Egyetem kutatói kifejlesztettek egy apró, vezeték nélkül irányítható kamerát, amely szintén képes egy rovar fedélzetén utazni, így mindenki láthatja a világot a Hangyaember szemszögéből.

A kamera, amely másodpercenként 1-5 képkocka sebességgel közvetít videót egy okostelefonra, egy mechanikus karon ül, amely 60 fokban képes elfordulni. Ez lehetővé teszi a néző számára, hogy nagy felbontású, panorámaképet készítsen, vagy minimális energiafelhasználás mellett kövessen egy mozgó tárgyat. A mintegy 250 milligramm súlyú – egy játékkártya súlyának tizedét kitevő – rendszer sokoldalúságának demonstrálására a kutatócsoport élő bogarak és rovar méretű robotok tetejére szerelte fel.

Az eredményeket ma (2020. július 15-én) teszik közzé a Science Robotics című folyóiratban.

A Washington Egyetem kutatói olyan apró kamerát fejlesztettek ki, amely egy rovar vagy egy rovar méretű robot fedélzetén tud utazni.

“Létrehoztunk egy kis teljesítményű, kis súlyú, vezeték nélküli kamerarendszert, amely képes első személyű képet készíteni arról, ami egy valódi élő rovarról történik, vagy látóteret létrehozni kis robotok számára” – mondta a vezető szerző Shyam Gollakota, a UW Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering docense. “A látás nagyon fontos a kommunikáció és a navigáció szempontjából, de rendkívül nagy kihívás ezt ilyen kis méretben megvalósítani. Ennek eredményeként a munkánkat megelőzően a vezeték nélküli látás nem volt lehetséges kis robotok vagy rovarok számára.”

A tipikus kis kamerák, például az okostelefonokban használtak, sok energiát használnak a nagy látószögű, nagy felbontású fotók rögzítéséhez, és ez nem működik rovar léptékben. Míg maguk a kamerák könnyűek, a támogatásukhoz szükséges akkumulátorok miatt a teljes rendszer túl nagy és nehéz ahhoz, hogy a rovarok – vagy rovar méretű robotok – magukkal cipeljék. Ezért a csapat leckét vett a biológiából.

“A kamerákhoz hasonlóan az állatok látása is sok energiát igényel” – mondta a társszerző Sawyer Fuller, az UW gépészmérnöki tanszékének docense. “Nagyobb élőlényeknél, mint az ember, ez kevésbé nagy dolog, de a legyek nyugalmi energiájuk 10-20%-át használják csak az agyuk működtetésére, amelynek nagy részét a vizuális feldolgozásra fordítják. A költségek csökkentése érdekében egyes legyek összetett szemének egy kis, nagy felbontású régiója van. Elfordítják a fejüket, hogy irányítsák, hová akarnak extra tisztán látni, például a zsákmány vagy a párjuk üldözésénél. Ez energiát takarít meg a teljes látómezőjükre kiterjedő nagy felbontással szemben.”

Az állatok látásának utánzásához a kutatók egy apró, rendkívül kis teljesítményű fekete-fehér kamerát használtak, amely egy mechanikus kar segítségével képes végigsöpörni a látómezőn. A kar akkor mozog, amikor a csapat nagyfeszültséget kapcsol, ami az anyagot meghajlítja, és a kamerát a kívánt pozícióba mozgatja. Hacsak a csapat nem alkalmaz nagyobb energiát, a kar körülbelül egy percig marad az adott szögben, mielőtt visszaereszkedik az eredeti helyzetébe. Ez hasonló ahhoz, ahogyan az emberek csak rövid ideig tudják a fejüket egy irányba fordítva tartani, mielőtt visszatérnének egy semlegesebb pozícióba.

“A kamera mozgatásának egyik előnye, hogy széles látószögű képet kaphatunk a történésekről anélkül, hogy hatalmas mennyiségű energiát kellene fogyasztanunk” – mondta Vikram Iyer, az UW villamos- és számítástechnika doktori képzésének társszerzője. “Követni tudunk egy mozgó tárgyat anélkül, hogy egy egész robot mozgatására kellene energiát fordítanunk. Ezek a képek ráadásul nagyobb felbontásúak, mintha nagylátószögű objektívet használnánk, ami ugyanannyi pixelből álló képet hozna létre sokkal nagyobb területre elosztva.”

A kamera és a kar Bluetooth-on keresztül vezérelhető egy okostelefonról akár 120 méteres távolságból, ami alig hosszabb, mint egy futballpálya.”

A kutatók két különböző bogártípus – egy halált okozó bogár és egy pinacate bogár – hátára erősítették eltávolítható rendszerüket. Hasonló bogarakról ismert, hogy fél grammnál nehezebb terheket is képesek cipelni, mondták a kutatók.

“Biztosítottuk, hogy a bogarak akkor is megfelelően tudjanak mozogni, amikor a rendszerünket hordozzák” – mondta a társszerző Ali Najafi, az UW elektromérnöki és számítástechnikai doktori hallgatója. “Képesek voltak szabadon navigálni a kavicson, a lejtőn és még fára is felmászni.”

A bogarak a kísérlet befejezése után is legalább egy évig éltek.

“Egy kis gyorsulásmérőt adtunk a rendszerünkhöz, hogy érzékelni tudjuk, mikor mozog a bogár. Ezután csak ez idő alatt rögzíti a képeket” – mondta Iyer. “Ha a kamera e gyorsulásmérő nélkül csak folyamatosan közvetít, akkor egy-két órát tudtunk rögzíteni, mielőtt az akkumulátor lemerült volna. A gyorsulásmérővel hat órán át vagy még tovább is tudnánk rögzíteni, a bogár aktivitási szintjétől függően.”

A kutatók kamerarendszerüket arra is felhasználták, hogy megtervezzék a világ legkisebb földi, energia-autonóm, vezeték nélküli látással rendelkező robotját. Ez a rovar méretű robot rezgéseket használ a mozgáshoz, és majdnem ugyanannyi energiát fogyaszt, mint amennyire a kis teljesítményű Bluetooth-rádióknak van szükségük a működéshez.

A csapat azonban azt tapasztalta, hogy a rezgések megrázzák a kamerát, és torz képeket eredményeznek. A kutatók ezt a problémát úgy oldották meg, hogy a robot egy pillanatra megállt, készített egy képet, majd folytatta útját. Ezzel a stratégiával a rendszer még mindig képes volt másodpercenként 2-3 centimétert mozogni – gyorsabban, mint bármely más apró robot, amely rezgéseket használ a mozgáshoz -, és az akkumulátor élettartama körülbelül 90 perc volt.

Míg a csapat izgatott a könnyű és alacsony fogyasztású mobil kamerákban rejlő lehetőségek miatt, a kutatók elismerik, hogy ez a technológia új adatvédelmi kockázatokkal jár.

“Kutatóként erősen hiszünk abban, hogy nagyon fontos, hogy a dolgokat nyilvánosságra hozzuk, hogy az emberek tisztában legyenek a kockázatokkal, és hogy az emberek elkezdhessenek megoldásokat találni azok kezelésére” – mondta Gollakota.

Az alkalmazások a biológiától az újszerű környezetek feltárásáig terjedhetnek, mondták a kutatók. A kutatócsoport reméli, hogy a kamera jövőbeli változatai még kevesebb energiát igényelnek majd, és akkumulátormentes, esetleg napenergiával működtethető lesz.

“Ez az első alkalom, hogy első személyű képet kaptunk egy bogár hátuljáról, miközben az járkál. Nagyon sok kérdést lehetne feltárni, például azt, hogy hogyan reagál a bogár a különböző ingerekre, amelyeket a környezetében lát?”. mondta Iyer. “De a rovarok sziklás környezetben is képesek áthaladni, ami a robotok számára igazán nagy kihívás ilyen léptékben. Így ez a rendszer segíthet nekünk abban is, hogy nehezen bejárható helyekről is láthatunk vagy gyűjthetünk mintákat.”

Hivatkozás: “Wireless steerable vision for live insects and insect-scale robots” – Vikram Iyer, Ali Najafi, Johannes James, Sawyer Fuller és Shyamnath Gollakota, 2020. július 15., Science Robotics.

Johannes James, az UW gépészmérnöki doktori hallgatója is társszerzője a cikknek. A kutatást a Microsoft ösztöndíja és a Nemzeti Tudományos Alapítvány finanszírozta.