In de film “Ant-Man,” kan het titelpersonage in omvang krimpen en reizen door te zweven op de rug van een insect. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Washington een piepkleine draadloze bestuurbare camera ontwikkeld die ook aan boord van een insect kan meerijden, waardoor iedereen de kans krijgt om een Ant-Man kijk op de wereld te zien.

De camera, die video naar een smartphone streamt met 1 tot 5 beelden per seconde, zit op een mechanische arm die 60 graden kan draaien. Hierdoor kan een kijker een panoramische opname met een hoge resolutie maken of een bewegend object volgen terwijl hij een minimale hoeveelheid energie verbruikt. Om de veelzijdigheid van dit systeem te demonstreren, dat ongeveer 250 milligram weegt – ongeveer een tiende van het gewicht van een speelkaart – monteerde het team het bovenop levende kevers en robots ter grootte van insecten.

De resultaten worden vandaag (15 juli 2020) gepubliceerd in Science Robotics.

Onderzoekers aan de Universiteit van Washington hebben een piepkleine camera ontwikkeld die aan boord van een insect of een robot ter grootte van een insect kan meerijden.

“We hebben een low-power, low-weight, draadloos camerasysteem gemaakt dat een first-person view kan vastleggen van wat er gebeurt vanuit een echt levend insect of visie kan creëren voor kleine robots,” zei senior auteur Shyam Gollakota, een UW universitair hoofddocent in de Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering. “Visie is zo belangrijk voor communicatie en voor navigatie, maar het is extreem uitdagend om het op zo’n kleine schaal te doen. Als gevolg daarvan was vóór ons werk draadloze visie niet mogelijk voor kleine robots of insecten.”

Typische kleine camera’s, zoals die worden gebruikt in smartphones, gebruiken veel stroom om groothoekfoto’s met een hoge resolutie vast te leggen, en dat werkt niet op de schaal van insecten. Hoewel de camera’s zelf licht zijn, maken de batterijen die ze nodig hebben om ze te ondersteunen het totale systeem te groot en zwaar voor insecten – of robots ter grootte van insecten – om mee te slepen. Dus nam het team een les uit de biologie.

“Vergelijkbaar met camera’s, visie in dieren vereist veel stroom,” zei co-auteur Sawyer Fuller, een UW assistent-professor in werktuigbouwkunde. “Het is minder van een big deal in grotere wezens zoals mensen, maar vliegen zijn met behulp van 10 tot 20% van hun rust-energie alleen maar om hun hersenen, waarvan de meeste is gewijd aan visuele verwerking. Om de kosten te drukken, hebben sommige vliegen een klein, hoog-resolutie deel van hun samengestelde ogen. Ze draaien hun kop om te sturen waar ze met extra helderheid willen zien, zoals bij het achtervolgen van een prooi of een partner. Dit bespaart stroom ten opzichte van het hebben van een hoge resolutie over hun gehele gezichtsveld.”

Om het gezichtsvermogen van een dier na te bootsen, gebruikten de onderzoekers een piepkleine, ultra-low-power zwart-wit camera die met behulp van een mechanische arm over een gezichtsveld kan vegen. De arm beweegt wanneer het team een hoge spanning toepast, waardoor het materiaal buigt en de camera naar de gewenste positie wordt gebracht. Tenzij het team meer kracht uitoefent, blijft de arm ongeveer een minuut in die hoek staan voordat hij zich weer ontspant in zijn oorspronkelijke positie. Dit is vergelijkbaar met hoe mensen hun hoofd slechts een korte tijd in één richting gedraaid kunnen houden voordat het terugkeert naar een meer neutrale positie.

“Een voordeel van het kunnen bewegen van de camera is dat je een groothoekbeeld kunt krijgen van wat er gebeurt zonder een enorme hoeveelheid stroom te verbruiken,” zei co-lead auteur Vikram Iyer, een UW-promovendus in elektrische en computertechniek. “We kunnen een bewegend object volgen zonder de energie te hoeven spenderen om een hele robot te bewegen. Deze beelden hebben ook een hogere resolutie dan wanneer we een groothoeklens zouden gebruiken, die een beeld zou creëren met hetzelfde aantal pixels verdeeld over een veel groter gebied.”

De camera en arm worden via Bluetooth bestuurd vanaf een smartphone vanaf een afstand tot 120 meter afstand, net iets langer dan een voetbalveld.

De onderzoekers bevestigden hun verwijderbare systeem op de ruggen van twee verschillende soorten kevers – een doodsbedreigende kever en een Pinacate kever. Van soortgelijke kevers is bekend dat ze ladingen zwaarder dan een halve gram kunnen dragen, zeiden de onderzoekers.

“We zorgden ervoor dat de kevers nog steeds goed konden bewegen wanneer ze ons systeem droegen,” zei co-lead auteur Ali Najafi, een UW-promovendus in elektrische en computertechniek. “Ze waren in staat om vrij over grind te navigeren, een helling op te gaan en zelfs in bomen te klimmen.”

De kevers leefden ook nog minstens een jaar nadat het experiment was afgelopen.

“We voegden een kleine versnellingsmeter toe aan ons systeem om te kunnen detecteren wanneer de kever beweegt. Vervolgens neemt het alleen gedurende die tijd beelden op,” zei Iyer. “Als de camera gewoon continu streamt zonder deze versnellingsmeter, konden we één tot twee uur opnemen voordat de batterij leeg was. Met de versnellingsmeter konden we zes uur of meer opnemen, afhankelijk van het activiteitsniveau van de kever.”

De onderzoekers gebruikten hun camerasysteem ook om ’s werelds kleinste terrestrische, energie-autonome robot met draadloos zicht te ontwerpen. Deze robot ter grootte van een insect gebruikt trillingen om te bewegen en verbruikt bijna dezelfde stroom als low-power Bluetooth-radio’s nodig hebben om te werken.

Het team ontdekte echter dat de trillingen de camera deden schudden en vervormde beelden produceerden. De onderzoekers losten dit probleem op door de robot even te laten stoppen, een foto te laten maken en vervolgens zijn reis te laten hervatten. Met deze strategie was het systeem nog steeds in staat om ongeveer 2 tot 3 centimeter per seconde te bewegen – sneller dan elke andere kleine robot die trillingen gebruikt om te bewegen – en had een batterijlevensduur van ongeveer 90 minuten.

Hoewel het team enthousiast is over het potentieel voor lichtgewicht en low-power mobiele camera’s, erkennen de onderzoekers dat deze technologie komt met een nieuwe reeks privacyrisico’s.

“Als onderzoekers geloven we sterk dat het echt belangrijk is om dingen in het publieke domein te brengen, zodat mensen zich bewust zijn van de risico’s en zodat mensen kunnen beginnen met het bedenken van oplossingen om ze aan te pakken,” zei Gollakota.

Toepassingen zouden kunnen variëren van biologie tot het verkennen van nieuwe omgevingen, zeiden de onderzoekers. Het team hoopt dat toekomstige versies van de camera nog minder stroom nodig zullen hebben en batterijvrij zullen zijn, mogelijk aangedreven door zonne-energie.

“Dit is de eerste keer dat we een first-person view hebben van de achterkant van een kever terwijl hij rondloopt. Er zijn zoveel vragen die je zou kunnen onderzoeken, zoals hoe reageert de kever op verschillende stimuli die hij in de omgeving ziet?” zei Iyer. “Maar insecten kunnen ook rotsachtige omgevingen doorkruisen, wat voor robots echt een uitdaging is om op deze schaal te doen. Dus dit systeem kan ons ook helpen door ons te laten zien of monsters te verzamelen van moeilijk te navigeren ruimtes.”

Referentie: “Draadloos bestuurbare visie voor levende insecten en robots op insectenschaal” door Vikram Iyer, Ali Najafi, Johannes James, Sawyer Fuller en Shyamnath Gollakota, 15 juli 2020, Science Robotics.

Johannes James, een UW-doctoraalstudent werktuigbouwkunde, is ook een co-auteur van dit paper. Dit onderzoek werd gefinancierd door een Microsoft-beurs en de National Science Foundation.