W filmie „Ant-Man” tytułowy bohater może zmniejszać swoje rozmiary i podróżować, szybując na grzbiecie owada. Teraz naukowcy z Uniwersytetu w Waszyngtonie opracowali maleńką, bezprzewodowo sterowaną kamerę, która również może jeździć na pokładzie owada, dając każdemu szansę na zobaczenie widoku świata Ant-Mana.

Kamera, która przesyła strumień wideo do smartfona z prędkością od 1 do 5 klatek na sekundę, siedzi na mechanicznym ramieniu, które może obracać się o 60 stopni. To pozwala widzowi uchwycić wysokiej rozdzielczości, panoramiczne ujęcie lub śledzić poruszający się obiekt, zużywając przy tym minimalną ilość energii. Aby zademonstrować wszechstronność tego systemu, który waży około 250 miligramów – około jednej dziesiątej wagi karty do gry – zespół zamontował go na szczycie żywych chrząszczy i robotów wielkości owadów.

Wyniki zostaną opublikowane dzisiaj (15 lipca 2020) w Science Robotics.

Badacze z University of Washington opracowali maleńką kamerę, która może jeździć na pokładzie owada lub robota wielkości owada.

„Stworzyliśmy bezprzewodowy system kamer o niskiej mocy i wadze, który może uchwycić widok z pierwszej osoby na to, co się dzieje z rzeczywistego żywego owada lub stworzyć wizję dla małych robotów”, powiedział starszy autor Shyam Gollakota, profesor nadzwyczajny UW w Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering. „Widzenie jest tak ważne dla komunikacji i nawigacji, ale jest to niezwykle trudne do zrobienia w tak małej skali. W rezultacie, przed naszą pracą, bezprzewodowe widzenie nie było możliwe dla małych robotów lub owadów.”

Typowe małe kamery, takie jak te używane w smartfonach, używają dużo mocy, aby uchwycić szerokokątne zdjęcia o wysokiej rozdzielczości, a to nie działa w skali owadów. Podczas gdy same aparaty są lekkie, baterie potrzebne do ich obsługi sprawiają, że cały system jest zbyt duży i ciężki dla owadów – lub robotów wielkości owadów – do przenoszenia. Zespół wziął więc lekcję z biologii.

„Podobnie jak w przypadku kamer, widzenie u zwierząt wymaga dużo mocy”, powiedział współautor Sawyer Fuller, asystent profesora inżynierii mechanicznej UW. „Jest to mniejszy problem u większych stworzeń, takich jak ludzie, ale muchy zużywają 10 do 20% swojej energii spoczynkowej tylko po to, aby zasilić swoje mózgi, z których większość jest poświęcona przetwarzaniu wizualnemu. Aby pomóc obniżyć koszty, niektóre muchy mają mały, wysokiej rozdzielczości region swoich złożonych oczu. Obracają one głowę, aby kierować się tam, gdzie chcą widzieć z dodatkową wyrazistością, na przykład podczas pościgu za ofiarą lub towarzyszem. To oszczędza energię w porównaniu z posiadaniem wysokiej rozdzielczości w całym polu widzenia.”

Aby naśladować widzenie zwierząt, badacze wykorzystali maleńką, czarno-białą kamerę o bardzo niskiej mocy, która może przesuwać się po polu widzenia z pomocą mechanicznego ramienia. Ramię porusza się po przyłożeniu wysokiego napięcia, które powoduje, że materiał wygina się i przesuwa kamerę do pożądanej pozycji. Jeśli zespół nie przyłoży większej mocy, ramię pozostaje pod tym kątem przez około minutę, po czym powraca do pierwotnej pozycji. Jest to podobne do tego, jak ludzie mogą utrzymać głowę obróconą w jednym kierunku tylko przez krótki okres czasu przed powrotem do bardziej neutralnej pozycji.

„Jedną z zalet możliwości poruszania kamerą jest to, że można uzyskać szerokokątny widok tego, co się dzieje bez zużywania ogromnej ilości energii”, powiedział współautor Vikram Iyer, doktorant UW w inżynierii elektrycznej i komputerowej. „Możemy śledzić poruszający się obiekt bez konieczności poświęcania energii na poruszanie całego robota. Te obrazy są również w wyższej rozdzielczości niż gdybyśmy użyli obiektywu szerokokątnego, który stworzyłby obraz z tą samą liczbą pikseli podzielonych na znacznie większym obszarze.”

Kamera i ramię są kontrolowane przez Bluetooth ze smartfona z odległości do 120 metrów, niewiele dłuższej niż boisko do piłki nożnej.

Badacze przymocowali swój zdejmowany system do grzbietów dwóch różnych rodzajów chrząszczy – chrząszcza obmierzłego i chrząszcza Pinacate. Podobne chrząszcze były znane z tego, że są w stanie przenosić ładunki cięższe niż pół grama, naukowcy said.

„Upewniliśmy się, że chrząszcze mogły nadal poruszać się prawidłowo, gdy przenosiły nasz system”, powiedział współautor wiodący Ali Najafi, doktorant UW w inżynierii elektrycznej i komputerowej. „Były w stanie swobodnie poruszać się po żwirze, w górę zbocza, a nawet wspinać się na drzewa.”

Chrząszcze żyły również przez co najmniej rok po zakończeniu eksperymentu.

„Dodaliśmy mały akcelerometr do naszego systemu, aby być w stanie wykryć, kiedy chrząszcz się porusza. Następnie rejestruje on obrazy tylko w tym czasie” – powiedział Iyer. „Jeśli kamera jest po prostu ciągły strumień bez tego akcelerometru, mogliśmy nagrać jedną do dwóch godzin przed bateria umarła. Z akcelerometrem moglibyśmy nagrywać przez sześć lub więcej godzin, w zależności od poziomu aktywności żuka.”

Badacze wykorzystali również swój system kamer do zaprojektowania najmniejszego na świecie lądowego, autonomicznego energetycznie robota z bezprzewodową wizją. Ten robot wielkości owada wykorzystuje wibracje do poruszania się i zużywa prawie tyle samo energii, ile potrzebują radia Bluetooth o niskiej mocy do działania.

Zespół stwierdził jednak, że wibracje wstrząsały kamerą i powodowały zniekształcenie obrazu. Naukowcy rozwiązali ten problem poprzez chwilowe zatrzymanie robota, zrobienie zdjęcia, a następnie wznowienie podróży. Z tej strategii, system był nadal w stanie poruszać się około 2 do 3 centymetrów na sekundę – szybciej niż jakikolwiek inny mały robot, który wykorzystuje wibracje do poruszania się – i miał żywotność baterii około 90 minutes.

While zespół jest podekscytowany o potencjale dla lekkich i niskiej mocy kamer mobilnych, naukowcy przyznają, że ta technologia pochodzi z nowym zestawem zagrożeń prywatności.

„Jako naukowcy mocno wierzymy, że to naprawdę ważne, aby umieścić rzeczy w domenie publicznej, więc ludzie są świadomi ryzyka i tak ludzie mogą zacząć wymyślać rozwiązania, aby je rozwiązać,” Gollakota said.

Aplikacje mogą obejmować od biologii do odkrywania nowych środowisk, naukowcy powiedzieli. Zespół ma nadzieję, że przyszłe wersje kamery będą wymagały jeszcze mniej energii i będą wolne od baterii, potencjalnie zasilane energią słoneczną.

„To jest pierwszy raz, że mieliśmy widok z pierwszej osoby z tyłu chrząszcza, podczas gdy on chodzi. Jest tak wiele pytań, które można zbadać, takich jak to, jak chrząszcz reaguje na różne bodźce, które widzi w środowisku?” powiedział Iyer. „Owady mogą również przemierzać skaliste środowiska, co jest nie lada wyzwaniem dla robotów w tej skali. Więc ten system może nam również pomóc, pozwalając nam zobaczyć lub zebrać próbki z trudnych do nawigacji przestrzeni.”

Referencja: „Wireless steerable vision for live insects and insect-scale robots” Vikram Iyer, Ali Najafi, Johannes James, Sawyer Fuller and Shyamnath Gollakota, 15 lipca 2020, Science Robotics.

Johannes James, doktorant inżynierii mechanicznej UW, jest również współautorem tej pracy. Badania te zostały sfinansowane przez stypendium firmy Microsoft oraz National Science Foundation.

.