No filme “Ant-Man”, o personagem título pode encolher de tamanho e viajar subindo nas costas de um inseto. Agora pesquisadores da Universidade de Washington desenvolveram uma minúscula câmera sem fio orientável que também pode andar a bordo de um inseto, dando a todos uma chance de ver uma visão do mundo do Homem-Formiga.

A câmera, que transmite vídeo para um smartphone a 1 a 5 quadros por segundo, senta-se em um braço mecânico que pode girar 60 graus. Isto permite ao espectador captar um disparo panorâmico de alta resolução ou seguir um objecto em movimento enquanto gasta uma quantidade mínima de energia. Para demonstrar a versatilidade deste sistema, que pesa cerca de 250 miligramas – cerca de um décimo do peso de uma carta de jogar – a equipa montou-o em cima de besouros vivos e robots do tamanho de insectos.

Os resultados serão publicados hoje (15 de Julho de 2020) em Science Robotics.

Os investigadores da Universidade de Washington desenvolveram uma pequena câmara que pode andar a bordo de um insecto ou de um robot do tamanho de um insecto.

“Criamos um sistema de câmera sem fio de baixa potência e baixo peso que pode capturar uma visão em primeira pessoa do que está acontecendo a partir de um inseto vivo real ou criar visão para pequenos robôs”, disse o autor sênior Shyam Gollakota, professor associado da UW na Escola Paul G. Allen de Ciência da Computação & Engenharia. “A visão é tão importante para a comunicação e para a navegação, mas é extremamente desafiador fazê-lo em uma escala tão pequena”. Como resultado, antes do nosso trabalho, a visão sem fio não era possível para pequenos robôs ou insetos”

Câmeras pequenas típicas, como aquelas usadas em smartphones, usam muita energia para capturar fotos de grande angular, de alta resolução, e isso não funciona na escala dos insetos. Enquanto as câmeras em si são leves, as baterias necessárias para suportá-las tornam o sistema geral muito grande e pesado para que insetos – ou robôs do tamanho de insetos – possam ser transportados. Então a equipe tirou uma lição de biologia.

“Semelhante às câmeras, a visão em animais requer muita energia”, disse o co-autor Sawyer Fuller, um professor assistente de engenharia mecânica da UW. “É menos importante em criaturas maiores como os humanos, mas as moscas estão usando de 10 a 20% de sua energia de repouso apenas para alimentar seus cérebros, a maioria dos quais é dedicada ao processamento visual”. Para ajudar a reduzir o custo, algumas moscas têm uma região pequena e de alta resolução dos seus olhos compostos. Elas viram a cabeça para dirigir-se para onde querem ver com maior clareza, como por exemplo, para perseguir presas ou um companheiro. Isso economiza energia ao ter alta resolução sobre todo o seu campo visual.”

Para imitar a visão de um animal, os pesquisadores usaram uma minúscula câmera em preto-e-branco de potência ultra-baixa que pode varrer um campo de visão com a ajuda de um braço mecânico. O braço se move quando a equipe aplica uma alta voltagem, o que faz o material dobrar e mover a câmera para a posição desejada. A menos que a equipe aplique mais potência, o braço permanece nesse ângulo por cerca de um minuto antes de relaxar de volta à sua posição original. Isto é semelhante a como as pessoas podem manter a cabeça virada em uma direção apenas por um curto período de tempo antes de retornar a uma posição mais neutra.

“Uma vantagem de ser capaz de mover a câmera é que você pode obter uma visão em grande ângulo do que está acontecendo sem consumir uma enorme quantidade de energia”, disse o co-líder Vikram Iyer, um estudante de doutorado da UW em engenharia elétrica e de computação. “Podemos rastrear um objeto em movimento sem ter que gastar a energia para mover um robô inteiro”. Essas imagens também estão em uma resolução mais alta do que se usássemos uma lente grande angular, que criaria uma imagem com o mesmo número de pixels divididos sobre uma área muito maior”

A câmera e o braço são controlados via Bluetooth a partir de um smartphone a uma distância de até 120 metros, apenas um pouco maior do que um campo de futebol.

Os pesquisadores anexaram seu sistema removível às costas de dois tipos diferentes de escaravelhos – um besouro que comete a morte e um besouro Pinacate. Besouros semelhantes foram conhecidos por serem capazes de transportar cargas mais pesadas do que meia grama, disseram os pesquisadores.

“Nós nos certificamos de que os besouros ainda pudessem se mover corretamente quando carregassem nosso sistema”, disse o co-autor Ali Najafi, um estudante de doutorado da UW em engenharia elétrica e informática. “Eles foram capazes de navegar livremente através de cascalho, subir uma encosta e até subir em árvores”

Os besouros também viveram por pelo menos um ano após o fim da experiência.

“Acrescentamos um pequeno acelerômetro ao nosso sistema para ser capaz de detectar quando o besouro se move. Então ele só captura imagens durante esse tempo”, disse Iyer. “Se a câmera está apenas em fluxo contínuo sem este acelerômetro, poderíamos gravar uma a duas horas antes que a bateria morresse”. Com o acelerômetro, poderíamos gravar por seis horas ou mais, dependendo do nível de atividade do besouro”

Os pesquisadores também usaram seu sistema de câmera para projetar o menor robô terrestre de potência com visão sem fio do mundo. Este robô do tamanho de um insecto utiliza vibrações para se mover e consome quase a mesma energia que os rádios Bluetooth de baixa potência precisam para funcionar.

A equipa descobriu, no entanto, que as vibrações abanaram a câmara e produziram imagens distorcidas. Os pesquisadores resolveram este problema fazendo o robô parar momentaneamente, tirar uma foto e depois retomar sua jornada. Com esta estratégia, o sistema ainda era capaz de se mover cerca de 2 a 3 centímetros por segundo – mais rápido do que qualquer outro robô minúsculo que usa vibrações para se mover – e tinha uma duração de bateria de cerca de 90 minutos.

Embora a equipe esteja entusiasmada com o potencial de câmeras móveis leves e de baixa potência, os pesquisadores reconhecem que esta tecnologia vem com um novo conjunto de riscos de privacidade.

“Como pesquisadores, acreditamos firmemente que é realmente importante colocar as coisas no domínio público para que as pessoas estejam cientes dos riscos e para que as pessoas possam começar a encontrar soluções para enfrentá-los”, disse Gollakota.

As aplicações podem variar da biologia à exploração de novos ambientes, disseram os pesquisadores. A equipe espera que as futuras versões da câmera exijam ainda menos energia e sejam sem bateria, potencialmente alimentadas por energia solar.

“Esta é a primeira vez que temos uma visão em primeira pessoa da parte de trás de um besouro enquanto ele anda por aí”. Há tantas perguntas que você poderia explorar, como como o escaravelho responde a diferentes estímulos que vê no ambiente?” disse Iyer. “Mas também, os insectos podem atravessar ambientes rochosos, o que é realmente um desafio para os robôs fazerem a esta escala. Portanto, este sistema também nos pode ajudar deixando-nos ver ou recolher amostras de espaços difíceis de navegar”

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

Johannes James, um estudante de doutoramento em engenharia mecânica da UW, também é co-autor deste artigo. Esta pesquisa foi financiada por uma bolsa da Microsoft e pela National Science Foundation.