Nel film “Ant-Man”, il personaggio del titolo può rimpicciolirsi e viaggiare salendo sul dorso di un insetto. Ora i ricercatori dell’Università di Washington hanno sviluppato una minuscola telecamera sterzante senza fili che può anche salire a bordo di un insetto, dando a tutti la possibilità di vedere un Ant-Man vista del mondo.

La telecamera, che trasmette video a uno smartphone a 1 a 5 fotogrammi al secondo, si trova su un braccio meccanico che può ruotare di 60 gradi. Questo permette all’osservatore di catturare un’inquadratura panoramica ad alta risoluzione o di seguire un oggetto in movimento spendendo una quantità minima di energia. Per dimostrare la versatilità di questo sistema, che pesa circa 250 milligrammi – circa un decimo del peso di una carta da gioco – il team lo ha montato in cima a coleotteri vivi e robot delle dimensioni di un insetto.

I risultati saranno pubblicati oggi (15 luglio 2020) in Science Robotics.

Ricercatori dell’Università di Washington hanno sviluppato una piccola telecamera che può salire a bordo di un insetto o un robot delle dimensioni di un insetto.

“Abbiamo creato un sistema di telecamere wireless a bassa potenza e basso peso che può catturare una visione in prima persona di ciò che accade da un insetto vivo o creare una visione per piccoli robot”, ha detto l’autore senior Shyam Gollakota, un professore associato UW nella Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering. “La visione è così importante per la comunicazione e la navigazione, ma è estremamente impegnativo farlo su piccola scala. Di conseguenza, prima del nostro lavoro, la visione senza fili non è stata possibile per piccoli robot o insetti.”

Le piccole fotocamere tipiche, come quelle usate negli smartphone, usano molta potenza per catturare foto grandangolari e ad alta risoluzione, e questo non funziona alla scala degli insetti. Mentre le fotocamere stesse sono leggere, le batterie di cui hanno bisogno per supportarle rendono il sistema complessivo troppo grande e pesante per gli insetti – o per i robot delle dimensioni di un insetto – da portare in giro. Così il team ha preso una lezione dalla biologia.

“Simile alle telecamere, la visione negli animali richiede molta potenza”, ha detto il co-autore Sawyer Fuller, un assistente professore di ingegneria meccanica della UW. “È meno di un grosso problema in creature più grandi come gli esseri umani, ma le mosche usano dal 10 al 20% della loro energia a riposo solo per alimentare il loro cervello, la maggior parte del quale è dedicato all’elaborazione visiva. Per aiutare a ridurre il costo, alcune mosche hanno una piccola regione ad alta risoluzione dei loro occhi composti. Girano la testa per dirigersi dove vogliono vedere con maggiore chiarezza, come per inseguire una preda o un compagno. Questo permette di risparmiare energia rispetto all’avere un’alta risoluzione su tutto il loro campo visivo.”

Per imitare la visione di un animale, i ricercatori hanno usato una piccola telecamera in bianco e nero a bassissima potenza che può spaziare su un campo visivo con l’aiuto di un braccio meccanico. Il braccio si muove quando il team applica una tensione elevata, che fa piegare il materiale e sposta la telecamera nella posizione desiderata. A meno che il team non applichi più potenza, il braccio rimane a quell’angolo per circa un minuto prima di rilassarsi di nuovo nella sua posizione originale. Questo è simile a come le persone possono tenere la testa girata in una direzione solo per un breve periodo di tempo prima di tornare in una posizione più neutra.

“Un vantaggio di essere in grado di spostare la telecamera è che si può ottenere una visione grandangolare di ciò che sta accadendo senza consumare una quantità enorme di energia”, ha detto il co-autore principale Vikram Iyer, uno studente di dottorato UW in ingegneria elettrica e informatica. Possiamo seguire un oggetto in movimento senza dover spendere l’energia per muovere un intero robot”. Queste immagini sono anche ad una risoluzione più alta che se usassimo un obiettivo grandangolare, che creerebbe un’immagine con lo stesso numero di pixel divisi su un’area molto più grande.”

La telecamera e il braccio sono controllati via Bluetooth da uno smartphone da una distanza fino a 120 metri di distanza, poco più lunga di un campo di calcio.

I ricercatori hanno attaccato il loro sistema rimovibile alla schiena di due diversi tipi di coleotteri – un coleottero mortale e uno scarabeo Pinacate. Scarafaggi simili sono noti per essere in grado di trasportare carichi più pesanti di mezzo grammo, hanno detto i ricercatori.

“Abbiamo fatto in modo che gli scarafaggi potessero ancora muoversi correttamente quando trasportavano il nostro sistema”, ha detto il co-autore principale Ali Najafi, uno studente di dottorato UW in ingegneria elettrica e informatica. “

I coleotteri hanno anche vissuto per almeno un anno dopo la fine dell’esperimento.

“Abbiamo aggiunto un piccolo accelerometro al nostro sistema per essere in grado di rilevare quando il coleottero si muove. Poi cattura solo le immagini durante quel tempo”, ha detto Iyer. “Se la telecamera è solo in continuo streaming senza questo accelerometro, potremmo registrare da una a due ore prima che la batteria muoia. Con l’accelerometro, potremmo registrare per sei ore o più, a seconda del livello di attività del coleottero.”

I ricercatori hanno anche usato il loro sistema di telecamere per progettare il più piccolo robot terrestre del mondo, autonomo con visione wireless. Questo robot delle dimensioni di un insetto usa le vibrazioni per muoversi e consuma quasi la stessa potenza di cui hanno bisogno le radio Bluetooth a bassa potenza per funzionare.

Il team ha scoperto, tuttavia, che le vibrazioni scuotevano la telecamera e producevano immagini distorte. I ricercatori hanno risolto questo problema facendo fermare momentaneamente il robot, scattando una foto e poi riprendendo il suo viaggio. Con questa strategia, il sistema era ancora in grado di muoversi di circa 2 o 3 centimetri al secondo – più veloce di qualsiasi altro piccolo robot che utilizza le vibrazioni per muoversi – e aveva una durata della batteria di circa 90 minuti.

Mentre il team è entusiasta del potenziale delle fotocamere mobili leggere e a basso consumo, i ricercatori riconoscono che questa tecnologia viene con una nuova serie di rischi per la privacy.

“Come ricercatori crediamo fortemente che sia davvero importante mettere le cose nel dominio pubblico in modo che le persone siano consapevoli dei rischi e così le persone possono iniziare a venire con soluzioni per affrontarli”, ha detto Gollakota.

Le applicazioni potrebbero andare dalla biologia all’esplorazione di nuovi ambienti, hanno detto i ricercatori. Il team spera che le versioni future della telecamera richiedano ancora meno energia e siano prive di batterie, potenzialmente alimentate a energia solare.

“Questa è la prima volta che abbiamo avuto una visione in prima persona dal retro di uno scarafaggio mentre cammina. Ci sono così tante domande che si potrebbero esplorare, come ad esempio come risponde il coleottero ai diversi stimoli che vede nell’ambiente?” ha detto Iyer. “Ma anche gli insetti possono attraversare ambienti rocciosi, il che è davvero impegnativo per i robot in questa scala. Quindi questo sistema può anche aiutarci permettendoci di vedere o raccogliere campioni da spazi difficili da navigare.”

Riferimento: “Wireless steerable vision for live insects and insect-scale robots” di Vikram Iyer, Ali Najafi, Johannes James, Sawyer Fuller e Shyamnath Gollakota, 15 luglio 2020, Science Robotics.

Johannes James, uno studente di dottorato di ingegneria meccanica UW, è anche un co-autore su questo documento. Questa ricerca è stata finanziata da una borsa di studio Microsoft e dalla National Science Foundation.