Ученые из Школы инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии разработалиинновационные искусственные глаза, способные преодолеть существующие ограничения в системах визуального восприятия машин. Их работа основана на изучении зрительной системы богомолов, насекомых с уникальной способностью к бинокулярному зрению.
Биомиметическая система на основе глаз богомолов
Традиционные системы визуального восприятия беспилотных автомобилей и дронов сталкиваются с проблемами обработки статических или медленно движущихся объектов в трёхмерном пространстве. Это напоминает зрительную систему многих насекомых с компаундными глазами, которые обладают хорошей способностью к отслеживанию движений, но слабы в восприятии глубины. Исключение составляют богомолы, у которых поле зрения пересекается между левым и правым глазом, создавая бинокулярное зрение и глубинное восприятие.
Вдохновлённые этим феноменом, учёные разработали искусственные компаундные глаза, сочетающие в себе оптоэлектронную инженерию и инновационные технологии “edge” computing. Этот подход позволяет обрабатывать данные непосредственно в сенсорах или около них, что существенно снижает время обработки и требования к вычислительной мощности.
Прорыв в области сенсорных технологий
“После изучения работы глаз богомолов, мы поняли, что для создания биомиметической системы, повторяющей их биологические способности, требуется разработка новых технологий”, – отметил Бёнжун Бэ, аспирант кафедры электротехники и компьютерной инженерии. Команда использовала микролинзы и множество фотодиодов, которые генерируют электрический ток при воздействии света, а также гибкие полупроводниковые материалы для имитации выпуклых форм и расположения фасеток в глазах богомолов.
“Создание сенсора в полусферической геометрии при сохранении его функциональности – это передовое достижение, обеспечивающее широкий угол обзора и превосходное восприятие глубины”, – добавил Бэ. Разработанная система обеспечивает точное пространственное восприятие в реальном времени, что особенно важно для применения в динамичных средах, таких как беспилотные автомобили, дроны, роботизированные сборочные линии, системы наблюдения и безопасности, а также умные домашние устройства.
Эффективность и экономия ресурсов
Одним из значимых открытий команды стало снижение энергопотребления более чем в 400 раз по сравнению с традиционными визуальными системами. Система способна обрабатывать визуальную информацию в реальном времени, практически исключая затраты времени и ресурсов на передачу данных и внешнюю обработку.
“Технологический прорыв нашей работы заключается в интеграции гибких полупроводниковых материалов, конформистских устройств, которые сохраняют точные углы в устройстве, компонента памяти в сенсоре и уникальных алгоритмов постобработки”, – пояснил Бэ. Сенсорный массив непрерывно отслеживает изменения в сцене, выявляя изменившиеся пиксели и кодируя эту информацию в небольшие наборы данных для обработки.
Перспективы и дальнейшие исследования
Подход, применённый учёными, напоминает способ восприятия мира насекомыми через визуальные сигналы, что позволяет различать движение и пространственные данные. Глаза богомолов используют эффект параллакса движения и стереоскопическое зрение для понимания окружающей среды. Эти принципы были заложены в основу новой системы, обеспечивающей точное трёхмерное восприятие в реальном времени.
“Наша работа представляет собой значительное научное открытие, которое может вдохновить других инженеров и учёных на разработку биомиметических решений для сложных задач визуальной обработки”, – отметил профессор Кюсан Ли, наставник Бэ и ведущий исследователь в области тонкоплёночных полупроводников и умных сенсоров.
Разработка учёных из Университета Вирджинии открывает новые возможности для применения искусственных глаз в различных областях, от беспилотных транспортных средств до робототехники и умных систем безопасности.