Po raz pierwszy ludzie poważnie pomyśleli o "oczach maszyn" nie w laboratorium, ale w dziełach science fiction.
Teraz, prawdziwe "bioniczne oko robota" przeszło z papierów do realnego prototypu: wykorzystuje soczewkę wykonaną z miękkich materiałów i samo światło jako "energię", potrafi dostrzec maleńkie włoski na nodze mrówki w skali mikroskopowej, a jego zdolność rozdzielcza przekroczyła fizjologiczny limit ludzkiego oka.
To nie jest proste "ulepszenie kamery", ale rekonstrukcja "jak maszyny widzą świat" poprzez połączenie optyki i materiałów.
I. Co dokładnie to "Robotyczne Oko"?
Ta praca pochodzi od zespołu z czołowego uniwersytetu inżynieryjnego w Stanach Zjednoczonych. To, co stworzyli, to nie obudowane "elektroniczne oko", ale zupełnie nowy, miękki, bioniczny system soczewek, w skrócie PHySL (photoresponsive hydrogel soft lens) w języku angielskim, co dosłownie tłumaczy się jako "foto-reaktywna, hydrożelowa, miękka soczewka".
Jego podstawowa struktura może być podzielona w następujący sposób:
● Środek: Elastyczna soczewka z polimeru silikonowego, używana do podstawowego obrazowania;
● Pierścień zewnętrzny: Pierścień z hydrożelu foto-reaktywnego, osadzony z grafenem/tlenkiem grafenu, odpowiadający okręgowi sztucznych "mięśni rzęskowych";
● Ogólnie: Całkowicie miękki i giętki, bez sztywnych soczewek, silników czy śrub.
Sedno tkwi w tym, że nie polega na żadnych silnikach ani zewnętrznych źródłach zasilania, ale wykorzystuje światło do samodzielnego zoomowania.
II. Jak to się dzieje, że dokonuje się ogniskowania za pomocą "światła"?
Tradycyjne kamery lub ludzkie oczy polegają na mechanicznych lub biologicznych "mięśniach" do ogniskowania.
Ta bioniczna soczewka obiera zupełnie inną ścieżkę: wykorzystuje efekt fototermiczny i zmianę objętości materiałów, aby soczewka "poruszała się" sama.
Logika jest bardzo jasna:
1. Zewnętrzny hydrożel jest domieszkowany grafenem - grafen ma silną absorpcję światła i może przekształcać energię świetlną w energię cieplną.
2. Kiedy światło na niego pada, temperatura lokalna wzrasta - hydrożel jest wrażliwy na temperaturę i ulega odwracalnemu rozszerzaniu lub kurczeniu po podgrzaniu.
3. Rozszerzanie/kurczenie się hydrożelu ściska soczewkę - to odpowiada pierścieniowi "mięśni napędzanych światłem", które wywierają efekty mechaniczne na środkową soczewkę silikonową.
4. Krzywizna soczewki zmienia się, a ogniskowa zmienia się odpowiednio - w miarę zmiany krzywizny, zmienia się sposób, w jaki światło się zbiega, a punkt ogniskowania przesuwa się w przód i w tył, aby osiągnąć "bezprzewodowy zoom".
W bardziej złożonym systemie, naukowcy osadzili tę miękką soczewkę w hydrożelowej sieci mikroprzepływowej, używając tego samego strumienia światła do kontrolowania zarówno "obrazowania + przełączania kanału płynów" w tym samym czasie, tworząc prototyp "bezelektronicznej, miękkiej kamery".
Oznacza to, że w pewnych scenariuszach kamera może pozbyć się elektryczności i twardych materiałów i być wykonana tylko ze światła i miękkich materiałów.
III. Dlaczego jego "wzrok przewyższa ludzkie oko"?
Raporty medialne użyły uderzającego stwierdzenia: "Naukowcy stworzyli oko robota z lepszym wzrokiem niż ludzie".
Dzieląc to na czynniki, są głównie dwa aspekty:
1. Zdolność rozdzielcza przekracza fizjologiczny limit ludzkiego oka
Ograniczona przez fizyczną strukturę ludzkiego oka i układ siatkówki, limit rozdzielczości gołego oka wynosi w przybliżeniu 100 mikrometrów. Aby zobaczyć mniejsze struktury, potrzebne są mikroskopy.
W weryfikacji eksperymentalnej, ta bioniczna miękka soczewka może:
● Rozróżniać szczegóły rzędu około 4 mikrometrów;
● Wyraźnie obrazować maleńkie włoski i mikrostruktury na nodze mrówki.
W wymiarach "rozdzielczości" i "zdolności obrazowania mikroskopowego z bliskiej odległości", przekroczyła fizyczny górny limit ludzkiego oka.
2. Morfologia i integracja różnią się od tradycyjnej optyki
W porównaniu ze sztywnymi soczewkami szklanymi/plastikowymi, ta miękka soczewka ma kilka cech:
● Całkowicie miękka i może być integralnie uformowana z korpusem miękkich robotów;
● Nie potrzebuje silników, przewodów ani przekładni, o niezwykle prostej strukturze;
● Polega tylko na napędzie świetlnym i ma potencjał "samozasilania".
W ekstremalnych środowiskach, do których ludzie nie nadają się do wejścia, a tradycyjne soczewki nie nadają się do umieszczenia (wysokie ciśnienie, wąskie przestrzenie, zakrzywione kanały, żywe organizmy itp.), integracja i adaptacja tej miękkiej soczewki są trudne do osiągnięcia dla ludzkiego oka i tradycyjnych soczewek.
Należy zauważyć, że ogólna wydajność ludzkiego "wzroku" jest kompleksowym wynikiem "oczu + mózgu". Obecnie, bioniczna miękka soczewka wykazuje zalety tylko w aspekcie "obrazowania optycznego i ogniskowania" i nie posiada zaawansowanej percepcji wzrokowej podobnej do ludzkiego mózgu.
IV. Gdzie można tego użyć: Od miękkich robotów do minimalnie inwazyjnej medycyny
Ten typ bionicznego oka robota nie jest przeznaczony do dodawania dodatkowej linii "parametrów" do telefonów komórkowych, ale do zapewnienia wizualnej podstawy dla partii nowych form.
Można zobaczyć kilka typowych kierunków:
1. Miękkie roboty poszukiwawczo-ratowniczeMiękkie roboty poruszające się przez gruz muszą mieć miękkie ciało i być w stanie wyraźnie widzieć szczegóły. Tradycyjne twarde soczewki trudno jest dopasować do deformacji ciała, a ten typ soczewki jest naturalnie odpowiedni.
2. Kontrola rolnicza i przemysłowaMoże zbliżać się do liści roślin, owoców, połączeń lutowanych i mikrostruktur w celu obrazowania z bliskiej odległości o wysokiej rozdzielczości, pomagając w identyfikacji plam chorobowych, pęknięć i wad.
3. Chirurgia minimalnie inwazyjna i obrazowanie endoskopoweMiękkie soczewki są zintegrowane na przednim końcu elastycznych cewników i elastycznych endoskopów, aby zmniejszyć uszkodzenia tkanek spowodowane przez sztywne sondy i utrzymać automatyczne ogniskowanie w wąskich przestrzeniach.
4. Obserwacja mikroskopowa próbek biologicznychMoże zastąpić część soczewek obiektywowych mikroskopu, aby stworzyć tanie, giętkie moduły obrazowania mikroskopowego do szybkiego wykrywania na miejscu.
5. Wykrywanie w ekstremalnych warunkachW głębinach morskich, wysokim ciśnieniu i środowiskach o silnym uderzeniu, elastyczne soczewki są mniej podatne na pękanie niż tradycyjne soczewki i są bardziej odpowiednie do długotrwałego rozmieszczenia.
Z perspektywy logiki przemysłowej, ta technologia otwiera nowy tor "miękkich front-endów wizualnych", a nie tylko "ulepszanie kamer wysokiej rozdzielczości o jedną generację".
V. Połączenie bionicznych oczu robota i rozpoznawania tęczówki
Następnie skupimy się tylko na jednej rzeczy: jakie praktyczne znaczenie ma ten typ bionicznego oka robota dla rozpoznawania tęczówki.
1. Lepszy "kolektor front-end": zapewniający czystsze obrazy do rozpoznawania tęczówki
Górna granica rozpoznawania tęczówki jest w dużej mierze określona przez jakość obrazowania front-end:
● Czy tekstura jest wystarczająco wyraźna;
● Czy odbicie, zasłonięcie i rozogniskowanie są kontrolowane;
● Czy można osiągnąć stabilne zbieranie w stanie niesprzyjającym.
Elastyczne soczewki bioniczne są bezpośrednio przydatne w trzech aspektach:
(1) Zdolność wysokiej rozdzielczości z bliskiej odległościTekstura tęczówki jest sama w sobie cechą mikrostrukturalną. Zdolność rozdzielcza na poziomie mikrometrów rozszerza przestrzeń ekstrakcji cech i zwiększa objętość zakodowanych informacji, co teoretycznie może poprawić rozróżnialność i zdolność antyfałszerską.
(2) Elastyczne ogniskowanie i adaptacyjna postawaMiękkie soczewki mogą dynamicznie ogniskować się poprzez kontrolę pola świetlnego i nadal zapewniać, że tęczówka znajduje się w płaszczyźnie ogniskowej, gdy obiekt porusza się w przód i w tył lub ma niestabilną postawę. Oznacza to, że wymagania dotyczące pozycji stojącej, pozycji głowy i poziomu współpracy mogą zostać zmniejszone, co sprzyja rozmieszczeniu w kanałach, scenariuszach przepływu pieszych i scenariuszach interakcji z robotami.
(3) Adaptacja morfologicznaTradycyjne moduły tęczówki to "pudełko" z ograniczonymi pozycjami instalacji. Elastyczne soczewki bioniczne mogą:
● Być osadzone w ramach drzwi, ścianach i "twarzy" robotów;
● Być zintegrowane z przednim końcem urządzeń do noszenia (okulary, opaski na głowę);
● Dopasowywać się do zakrzywionych struktur i wtapiać się w otoczenie.
Dla rozpoznawania tęczówki oznacza to, że punkty zbierania mogą być bardziej ukryte, naturalne i zróżnicowane.
2. Przenoszenie rozpoznawania tęczówki z "stałych terminali" do "terminali mobilnych" i "elastycznych terminali"
Większość tradycyjnych urządzeń do rozpoznawania tęczówki to:
● Stałe kołowrotki;
● Urządzenia stacjonarne przed ladami/oknami;
● Niektóre terminale ręczne.
Dzięki elastycznym soczewkom bionicznym mogą pojawić się nowe formy kombinacji:
(1) Miękkie roboty serwisowePrzedni koniec robota to bioniczne "oko", które wykonuje nawigację i percepcję środowiska, jednocześnie zbierając obrazy tęczówki podczas zbliżania się do użytkowników, osiągając bezkartkową i bezdotykową silną autentykację tożsamości.
(2) Terminale patrolowe/egzekwowania prawaElastyczne moduły są zintegrowane z kamerami na ciele funkcjonariuszy, identyfikatorami, hełmami i innym sprzętem, aby zakończyć weryfikację tożsamości z wyższym poziomem bezpieczeństwa podczas naturalnej interakcji międzyludzkiej, zamiast wymagać od drugiej strony zatrzymania się i podejścia do stałego urządzenia.
(3) Wiązanie tożsamości w scenariuszach medycznychSoczewki bioniczne są zintegrowane na przednim końcu elastycznych endoskopów, cewników i sprzętu inspekcyjnego do jednoczesnego fotografowania tęczówki, blokując unikalnego pacjenta z tożsamością tęczówki podczas całego procesu operacji, inspekcji i podawania leków, zmniejszając niedopasowania i spory medyczne.
Zasadniczo, bioniczne oczy robota zamieniają rozpoznawanie tęczówki z "urządzenia w określonym punkcie" w "możliwość w systemie", która może być osadzona w dowolnym wizualnym front-endzie, który wymaga silnej autentykacji tożsamości.
3. Poprawa odporności na rozpoznawanie w złożonych środowiskach
Rozpoznawanie tęczówki często napotyka kilka problemów we wdrażaniu inżynieryjnym:
● Oświetlenie zewnętrzne i środowiska podświetlane;
● Okulary, odbicia i częściowe zasłonięcie;
● Duży ruch użytkownika i zmiany postawy.
Elastyczne soczewki bioniczne są przeznaczone do złożonych deformacji i środowisk, a ich cechy materiałowe i strukturalne mogą być wykorzystane do:
● Ustawiania światła wypełniającego i kątów obrazowania bardziej elastycznie, aby zmniejszyć odbicie okularów i refleksy rogówki;
● Na platformach ruchomych, takich jak roboty, buforować wpływ rozmycia ruchu poprzez adaptacyjny zoom;
● Szybko dostosowywać ścieżkę optyczną w różnych warunkach oświetleniowych poprzez napęd świetlny, aby uzyskać względnie stabilną jakość obrazowania tęczówki.
Te możliwości będą bezpośrednio przekazywane do:
● Wskaźnika powodzenia rozpoznawania;
● Doświadczenia użytkownika ("przejdź obok, stając na chwilę" zamiast dostosowywania postawy w przód i w tył);
● Zakresu środowiska użytkowego (wewnątrz, pół-na zewnątrz, mobilne).
Podsumowanie
Bioniczne oczy robota rozwiązują problem "widzenia i wyraźnego widzenia", podczas gdy rozpoznawanie tęczówki rozwiązuje problem "dokładnego rozpoznawania i mocnego wiązania".
Kiedy te dwa elementy są połączone, rozpoznawanie tęczówki zyskuje nowe wejścia front-end i szersze scenariusze zastosowań.
