În filmul „Ant-Man”, personajul principal poate să-și micșoreze dimensiunile și să călătorească înălțându-se pe spatele unei insecte. Acum, cercetătorii de la Universitatea din Washington au dezvoltat o cameră minusculă direcționabilă fără fir care poate călători, de asemenea, la bordul unei insecte, oferind tuturor șansa de a vedea o viziune Ant-Man asupra lumii.

Camera, care transmite imagini video către un smartphone cu 1 până la 5 cadre pe secundă, se află pe un braț mecanic care poate pivota la 60 de grade. Acest lucru permite privitorului să capteze o imagine panoramică de înaltă rezoluție sau să urmărească un obiect în mișcare, consumând o cantitate minimă de energie. Pentru a demonstra versatilitatea acestui sistem, care cântărește aproximativ 250 de miligrame – aproximativ o zecime din greutatea unei cărți de joc – echipa l-a montat deasupra unor gândaci vii și a unor roboți de mărimea unei insecte.

Rezultatele vor fi publicate astăzi (15 iulie 2020) în Science Robotics.

Cercetătorii de la Universitatea din Washington au dezvoltat o cameră minusculă care poate călători la bordul unei insecte sau al unui robot de mărimea unei insecte.

„Am creat un sistem de cameră fără fir, cu consum redus de energie și greutate, care poate capta o vedere la prima persoană a ceea ce se întâmplă de la o insectă vie reală sau poate crea o viziune pentru roboți mici”, a declarat autorul principal Shyam Gollakota, profesor asociat la UW în cadrul Școlii Paul G. Allen de Știința Informaticii & Inginerie. „Viziunea este atât de importantă pentru comunicare și pentru navigare, dar este extrem de dificil să o faci la o scară atât de mică. Prin urmare, înainte de munca noastră, viziunea fără fir nu a fost posibilă pentru roboți mici sau insecte mici.”

Camerele mici tipice, cum ar fi cele utilizate în smartphone-uri, folosesc o mulțime de energie pentru a capta fotografii cu unghi larg și de înaltă rezoluție, iar acest lucru nu funcționează la scara insectelor. În timp ce camerele în sine sunt ușoare, bateriile de care au nevoie pentru a le susține fac ca întregul sistem să fie prea mare și prea greu pentru ca insectele – sau roboții de mărimea unei insecte – să poată fi transportate. Așa că echipa a luat o lecție de la biologie.

„La fel ca în cazul camerelor foto, viziunea la animale necesită multă energie”, a declarat co-autorul Sawyer Fuller, profesor asistent de inginerie mecanică la UW. „Este mai puțin important la creaturile mai mari, cum ar fi oamenii, dar muștele folosesc între 10 și 20% din energia lor de repaus doar pentru a-și alimenta creierul, cea mai mare parte fiind dedicată procesării vizuale. Pentru a ajuta la reducerea costurilor, unele muște au o regiune mică, de înaltă rezoluție, a ochilor lor compuși. Ele își întorc capul pentru a se orienta acolo unde doresc să vadă cu o claritate suplimentară, cum ar fi pentru a urmări prada sau un partener. Acest lucru economisește energie față de a avea o rezoluție ridicată pe tot câmpul lor vizual.”

Pentru a imita viziunea unui animal, cercetătorii au folosit o cameră alb-negru minusculă, de foarte mică putere, care poate baleia un câmp vizual cu ajutorul unui braț mecanic. Brațul se mișcă atunci când echipa aplică un voltaj ridicat, ceea ce face ca materialul să se îndoaie și să deplaseze camera în poziția dorită. Dacă echipa nu aplică mai multă putere, brațul rămâne în acel unghi timp de aproximativ un minut înainte de a se relaxa înapoi în poziția inițială. Acest lucru este similar cu modul în care oamenii își pot menține capul întors într-o direcție doar pentru o perioadă scurtă de timp înainte de a reveni la o poziție mai neutră.

„Un avantaj al capacității de a mișca camera este acela că puteți obține o vedere cu unghi larg a ceea ce se întâmplă fără a consuma o cantitate uriașă de energie”, a declarat co-autorul principal Vikram Iyer, un doctorand UW în inginerie electrică și informatică. „Putem urmări un obiect în mișcare fără a fi nevoie să cheltuim energia necesară pentru a mișca un întreg robot. Aceste imagini sunt, de asemenea, la o rezoluție mai mare decât dacă am folosi o lentilă cu unghi larg, care ar crea o imagine cu același număr de pixeli împărțiți pe o suprafață mult mai mare.”

Camera și brațul sunt controlate prin Bluetooth de la un smartphone de la o distanță de până la 120 de metri, doar puțin mai mult decât un teren de fotbal.

Cercetătorii au atașat sistemul lor detașabil pe spatele a două tipuri diferite de gândaci – un gândac de moarte și un gândac Pinacate. Se știe că gândaci similari sunt capabili să transporte încărcături mai grele de o jumătate de gram, au declarat cercetătorii.

„Ne-am asigurat că gândacii se pot mișca în continuare în mod corespunzător atunci când transportau sistemul nostru”, a declarat co-autorul principal Ali Najafi, un doctorand al UW în inginerie electrică și informatică. „Au fost capabili să navigheze liber pe pietriș, să urce o pantă și chiar să se cațere în copaci.”

Cei care au trăit, de asemenea, timp de cel puțin un an după ce experimentul s-a încheiat.

„Am adăugat un mic accelerometru la sistemul nostru pentru a putea detecta momentul în care gândacul se mișcă. Apoi, acesta captează imagini doar în acel moment”, a declarat Iyer. „Dacă camera doar transmite continuu fără acest accelerometru, am putea înregistra una sau două ore înainte ca bateria să se termine. Cu accelerometrul, am putea înregistra timp de șase ore sau mai mult, în funcție de nivelul de activitate al gândacului.”

Cercetătorii au folosit, de asemenea, sistemul lor de camere pentru a proiecta cel mai mic robot terestru din lume, autonom din punct de vedere energetic, cu viziune wireless. Acest robot de mărimea unei insecte folosește vibrații pentru a se deplasa și consumă aproape aceeași energie de care au nevoie radiourile Bluetooth de mică putere pentru a funcționa.

Echipa a constatat, totuși, că vibrațiile scuturau camera și produceau imagini distorsionate. Cercetătorii au rezolvat această problemă punând robotul să se oprească momentan, să facă o fotografie și apoi să își reia călătoria. Cu această strategie, sistemul a fost în continuare capabil să se deplaseze cu aproximativ 2 până la 3 centimetri pe secundă – mai rapid decât orice alt robot minuscul care folosește vibrațiile pentru a se deplasa – și a avut o durată de viață a bateriei de aproximativ 90 de minute.

În timp ce echipa este entuziasmată de potențialul camerelor mobile ușoare și cu consum redus de energie, cercetătorii recunosc că această tehnologie vine cu un nou set de riscuri pentru confidențialitate.

„În calitate de cercetători, credem cu tărie că este foarte important să punem lucrurile în domeniul public, astfel încât oamenii să fie conștienți de riscuri și să poată începe să vină cu soluții pentru a le aborda”, a declarat Gollakota.

Aplicațiile ar putea varia de la biologie la explorarea unor medii noi, au declarat cercetătorii. Echipa speră că viitoarele versiuni ale camerei vor necesita și mai puțină energie și nu vor avea baterii, putând fi alimentate cu energie solară.

„Este pentru prima dată când avem o vedere la prima persoană din spatele unui gândac în timp ce acesta se plimbă. Există atât de multe întrebări pe care ai putea să le explorezi, cum ar fi cum răspunde gândacul la diferiți stimuli pe care îi vede în mediul înconjurător.” a declarat Iyer. „Dar, de asemenea, insectele pot traversa medii stâncoase, ceea ce este o adevărată provocare pentru roboți la această scară. Așadar, acest sistem ne poate ajuta, de asemenea, permițându-ne să vedem sau să colectăm mostre din spații greu de navigat.”

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

Johannes James, un doctorand în inginerie mecanică de la UW, este, de asemenea, coautor la această lucrare. Această cercetare a fost finanțată de o bursă Microsoft și de National Science Foundation.

.