В фильме «Человек-муравей» заглавный персонаж может уменьшаться в размерах и путешествовать, паря на спине насекомого. В настоящее время исследователи из Вашингтонского университета разработали крошечную беспроводную управляемую камеру, которая также может ездить на борту насекомого, что дает каждому возможность увидеть мир человека-муравья.
Камера, которая передает видео на смартфон со скоростью от 1 до 5 кадров в секунду, установлена на механическом рычаге, который может поворачиваться на 60 градусов. Это позволяет зрителю захватывать панорамный снимок с высоким разрешением или отслеживать движущийся объект, затрачивая при этом минимальное количество энергии. Чтобы продемонстрировать универсальность этой системы, которая весит около 250 миллиграммов — около одной десятой веса игральной карты — команда смонтировала ее на живых жуках и роботах размером с насекомое.
«Мы создали маломощную беспроводную камеру с малым весом, которая позволяет от первого лица наблюдать за происходящим от реального живого насекомого или создавать видение для маленьких роботов» , — сказал старший автор Шьям Голлакота, доцент UW в Школе информатики и инженерии им. Пола Аллена. «Зрение очень важно для общения и навигации, но чрезвычайно сложно сделать это в таком небольшом масштабе. В результате, до нашей работы беспроводное зрение было невозможно для маленьких роботов или насекомых».
Типичные маленькие камеры, такие как те, которые используются в смартфонах, потребляют много энергии для съемки широкоугольных фотографий с высоким разрешением, и это не работает в масштабе насекомых. Хотя сами камеры имеют малый вес, батареи, которые им необходимы для поддержки, делают общую систему слишком большой и тяжелой для того, чтобы насекомые — или роботы размером с насекомое — могли тащить вокруг себя. Итак, команда извлекла урок из биологии.
«Подобно камерам, зрение у животных требует много энергии», — сказал соавтор Сойер Фуллер, доцент кафедры машиностроения UW. «В больших существах, таких как люди, это не так важно, но мухи используют от 10 до 20% энергии покоя только для питания своего мозга, большая часть которого предназначена для визуальной обработки. Чтобы сократить расходы, некоторые мухи имеют небольшая область их сложных глаз с высоким разрешением. Они поворачивают головы, чтобы направлять их туда, где они хотят видеть с большей ясностью, например, в погоне за добычей или помощником. Это экономит энергию благодаря высокому разрешению во всем их поле зрения ».
Чтобы имитировать зрение животного, исследователи использовали крошечную черно-белую камеру со сверхнизким энергопотреблением, которая может перемещаться по полю зрения с помощью механического рычага. В руки движется , когда команда прикладывает высокое напряжение, которое делает материал согнуть и перемещать камеру в нужное положение. Если команда не применяет больше силы, рука остается под этим углом около минуты, прежде чем вернуться в исходное положение. Это похоже на то, как люди могут держать голову повернутой в одном направлении только в течение короткого периода времени, прежде чем вернуться в более нейтральное положение.
«Одним из преимуществ возможности перемещения камеры является то, что вы можете получить широкоугольный обзор происходящего, не затрачивая огромного количества энергии», — сказал со-ведущий автор Викрам Айер, аспирант UW в области электротехники и вычислительной техники. «Мы можем отслеживать движущийся объект, не тратя энергию на перемещение целого робота . Эти изображения также имеют более высокое разрешение, чем если бы мы использовали широкоугольный объектив, который бы создавал изображение с таким же количеством пикселей, разделенных на части на гораздо большую площадь. «
Камера и манипулятор управляются через Bluetooth со смартфона на расстоянии до 120 метров, чуть длиннее футбольного поля.
Исследователи прикрепили свою съемную систему к спинам двух разных типов жуков: жук-симулятор и жук-пинакат. Исследователи утверждают, что подобные жуки способны переносить грузы весом более половины грамма.
«Мы позаботились о том, чтобы жуки все еще могли нормально двигаться, когда они несли нашу систему», — сказал со-ведущий автор Али Наджафи, аспирант UW в области электротехники и вычислительной техники. «Они могли свободно перемещаться по гравию, подниматься по склону и даже лазить по деревьям».
Жуки также жили как минимум год после окончания эксперимента.
«Мы добавили небольшой акселерометр в нашу систему, чтобы иметь возможность определять, когда движется жук. Тогда он только снимает изображения в течение этого времени», — сказал Айер. «Если камера просто непрерывно работает без этого акселерометра, мы могли бы записать за один-два часа до того, как разрядилась батарея. С помощью акселерометра мы могли бы вести запись в течение шести или более часов, в зависимости от уровня активности жука».
Исследователи также использовали свою систему камер для разработки самого маленького в мире наземного, мощного автономного робота с беспроводным зрением. Этот робот размером с насекомое использует вибрации для перемещения и потребляет почти столько же энергии, сколько необходимо для работы Bluetooth-радио с низким энергопотреблением.
Однако команда обнаружила, что вибрации сотрясали камеру и создавали искаженные изображения. Исследователи решили эту проблему, остановив робота на мгновение, сделав снимок, а затем возобновив свое путешествие. Благодаря этой стратегии система все еще могла двигаться примерно на 2–3 сантиметра в секунду — быстрее, чем любой другой крошечный робот, который использует вибрации для перемещения — и у нее было время автономной работы около 90 минут.
В то время как команда взволнована по поводу потенциала для легких и маломощных мобильных камер, исследователи признают, что эта технология сопряжена с новым набором рисков для конфиденциальности.
«Как исследователи, мы твердо верим, что действительно важно сделать вещи общедоступными, чтобы люди знали о рисках и чтобы люди могли начать предлагать решения для их устранения», — сказал Голлакота.
Исследователи утверждают, что приложения могут варьироваться от биологии до изучения новых сред. Команда надеется, что будущие версии камеры потребуют еще меньше энергии и будут работать без батареи, возможно, от солнечной батареи.
«Это первый раз, когда мы видим вид от первого лица со спины жука, когда он ходит. Есть так много вопросов, которые вы можете исследовать, например, как жук реагирует на различные раздражители, которые он видит в среда?» Айер сказал. «Кроме того, насекомые могут пересекать каменистую среду, что действительно сложно для роботов в таких масштабах. Поэтому эта система также может помочь нам, позволяя нам видеть или собирать образцы из труднодоступных мест».