La prima volta che gli umani hanno seriamente pensato agli "occhi delle macchine" non è stato in un laboratorio, ma nelle opere di fantascienza.
Ora, un vero e proprio "occhio robotico bionico" è passato dai documenti a un prototipo reale: utilizza una lente fatta di materiali morbidi e la luce stessa come "energia", può vedere i minuscoli peli sulla zampa di una formica su scala microscopica, e il suo potere risolutivo ha superato il limite fisiologico dell'occhio umano.
Questa non è una semplice "aggiornamento della fotocamera", ma una ricostruzione di "come le macchine vedono il mondo" attraverso la combinazione di ottica e materiali.
I. Cos'è esattamente questo "occhio robotico"?
Questo lavoro proviene da un team di una delle migliori università di ingegneria degli Stati Uniti. Ciò che hanno creato non è un "bulbo oculare elettronico" con un guscio, ma un nuovissimo sistema di lenti bioniche morbide, abbreviato in PHySL (lente morbida idrogel fotoresponsiva) in inglese, che si traduce letteralmente in "lente morbida idrogel fotoresponsiva".
La sua struttura di base può essere suddivisa come segue:
● Centro: una lente in polimero siliconico flessibile, utilizzata per completare l'imaging di base;
● Anello esterno: un anello di idrogel fotoresponsivo incorporato con grafene/ossido di grafene, equivalente a un cerchio di "muscoli ciliari" artificiali;
● Complessivo: completamente morbido e pieghevole, senza lenti rigide, motori o viti.
Il fulcro risiede in: non si basa su alcun motore o fonte di alimentazione esterna, ma utilizza la luce per guidare se stesso nello zoom.
II. Come completa la messa a fuoco con la "luce"?
Le fotocamere tradizionali o gli occhi umani si basano su "muscoli" meccanici o biologici per la messa a fuoco.
Questa lente bionica prende una strada completamente diversa: utilizza l'effetto fototermico e il cambiamento di volume dei materiali per far "muovere" la lente da sola.
La logica è molto chiara:
1. L'idrogel esterno è drogato con grafene: il grafene ha una forte assorbimento della luce e può convertire l'energia luminosa in energia termica.
2. Quando la luce lo colpisce, la temperatura locale aumenta: l'idrogel è sensibile alla temperatura e subisce un'espansione o contrazione reversibile quando viene riscaldato.
3. L'espansione/contrazione dell'idrogel comprime la lente: questo equivale a un anello di "muscoli guidati dalla luce" che esercita effetti meccanici sulla lente di silicone centrale.
4. La curvatura della lente cambia e la lunghezza focale cambia di conseguenza: quando la curvatura cambia, il modo in cui la luce converge cambia e il punto focale si sposta avanti e indietro per ottenere lo "zoom wireless".
In un sistema più complesso, i ricercatori hanno incorporato questa lente morbida in una rete microfluidica di idrogel, utilizzando lo stesso raggio di luce per controllare sia "imaging + commutazione del canale fluido" contemporaneamente, creando un prototipo di "fotocamera morbida senza elettronica".
Ciò significa che in determinati scenari, la fotocamera può liberarsi dell'elettricità e dei materiali duri ed essere completata solo con la luce e materiali morbidi.
III. Perché la sua "visione è superiore all'occhio umano"?
I resoconti dei media hanno usato un'affermazione sorprendente: "Gli scienziati hanno creato un occhio robot con una vista migliore degli umani".
Suddividendo, ci sono principalmente due aspetti:
1. Il potere risolutivo supera il limite fisiologico dell'occhio umano
Vincolato dalla struttura fisica dell'occhio umano e dalla disposizione della retina, il limite di risoluzione a occhio nudo è all'incirca dell'ordine di 100 micrometri. Per vedere strutture più piccole, sono necessari i microscopi.
Nella verifica sperimentale, questa lente morbida bionica può:
● Risolvere i dettagli dell'ordine di circa 4 micrometri;
● Immaginare chiaramente i minuscoli peli e le microstrutture sulla zampa di una formica.
Nelle dimensioni di "risoluzione" e "capacità di imaging microscopico a distanza ravvicinata", ha superato il limite superiore fisico dell'occhio umano nudo.
2. La morfologia e l'integrabilità sono diverse dall'ottica tradizionale
Rispetto alle lenti rigide in vetro/plastica, questa lente morbida ha diverse caratteristiche:
● Completamente morbida e può essere formata integralmente con il corpo dei robot morbidi;
● Non necessita di motori, fili o ingranaggi, con una struttura estremamente semplice;
● Si basa solo sulla guida della luce e ha il potenziale di "auto-alimentazione".
In ambienti estremi in cui gli umani non sono adatti a entrare e le lenti tradizionali non sono adatte a essere posizionate (alta pressione, spazi ristretti, canali curvi, organismi viventi, ecc.), l'integrabilità e l'adattabilità di questa lente morbida sono difficili da raggiungere per l'occhio umano e le lenti tradizionali.
Va notato che le prestazioni complessive della "visione" umana sono un risultato completo di "occhi + cervello". Al momento, la lente morbida bionica mostra solo vantaggi nell'aspetto di "imaging ottico e messa a fuoco" e non ha una cognizione visiva avanzata simile al cervello umano.
IV. Dove può essere utilizzato: dai robot morbidi alla medicina minimamente invasiva
Questo tipo di occhio robotico bionico non è progettato per aggiungere una linea extra di "parametri" ai telefoni cellulari, ma per fornire una base visiva per un gruppo di nuove forme.
Si possono vedere diverse direzioni tipiche:
1. Robot morbidi di ricerca e soccorsoI robot morbidi che si muovono attraverso le macerie devono avere un corpo morbido ed essere in grado di vedere i dettagli chiaramente. Le lenti dure tradizionali sono difficili da seguire la deformazione del corpo, e questo tipo di lente è naturalmente adatto.
2. Ispezione agricola e industrialePuò avvicinarsi a foglie di piante, frutti, giunti di saldatura e microstrutture per l'imaging ad alta risoluzione a distanza ravvicinata, contribuendo a identificare macchie di malattie, crepe e difetti.
3. Chirurgia minimamente invasiva e imaging endoscopicoLe lenti morbide sono integrate all'estremità anteriore di cateteri flessibili ed endoscopi flessibili per ridurre i danni ai tessuti causati dalle sonde rigide e mantenere la messa a fuoco automatica in spazi ristretti.
4. Osservazione microscopica di campioni biologiciPuò sostituire parte delle lenti dell'obiettivo del microscopio per realizzare moduli di imaging microscopico a basso costo e pieghevoli per il rilevamento rapido in loco.
5. Rilevamento in ambienti estremiIn ambienti di mare profondo, alta pressione e forti impatti, le lenti flessibili hanno meno probabilità di rompersi rispetto alle lenti tradizionali e sono più adatte per l'implementazione a lungo termine.
Da una prospettiva di logica industriale, questa tecnologia apre una nuova pista di "front-end visivi morbidi", piuttosto che semplicemente "aggiornare le fotocamere ad alta definizione di una generazione".
V. La combinazione di occhi robotici bionici e riconoscimento dell'iride
Successivamente, ci concentriamo solo su una cosa: quale significato pratico ha questo tipo di occhio robotico bionico per il riconoscimento dell'iride.
1. Un migliore "collettore front-end": fornire immagini più pulite per il riconoscimento dell'iride
Il limite superiore del riconoscimento dell'iride è in gran parte determinato dalla qualità dell'imaging front-end:
● Se la trama è abbastanza chiara;
● Se riflessione, occlusione e sfocatura sono controllabili;
● Se è possibile ottenere una raccolta stabile in uno stato non cooperativo.
Le lenti bioniche flessibili sono direttamente utili in tre aspetti:
(1) Capacità di alta risoluzione a distanza ravvicinataLa trama dell'iride stessa è una caratteristica microstrutturata. Il potere risolutivo a livello di micrometri espande lo spazio di estrazione delle caratteristiche e aumenta il volume di informazioni codificate, il che può teoricamente migliorare la distinguibilità e la capacità anti-contraffazione.
(2) Messa a fuoco flessibile e postura adattivaLe lenti morbide possono mettere a fuoco dinamicamente attraverso il controllo del campo luminoso e garantire comunque che l'iride sia sul piano focale quando il soggetto si muove avanti e indietro o ha una postura instabile. Ciò significa che i requisiti per la posizione in piedi, la posizione della testa e il livello di cooperazione possono essere ridotti, il che è favorevole all'implementazione in canali, scenari di flusso pedonale e scenari di interazione robot.
(3) Adattabilità morfologicaI moduli tradizionali dell'iride sono "una scatola" con posizioni di installazione limitate. Le lenti bioniche flessibili possono:
● Essere incorporati in telai di porte, pareti e la "faccia" dei robot;
● Essere integrati nell'estremità anteriore di dispositivi indossabili (occhiali, fasce per la testa);
● Adattarsi a strutture curve e fondersi nell'ambiente.
Per il riconoscimento dell'iride, ciò significa che i punti di raccolta possono essere più nascosti, naturali e diversi.
2. Spostare il riconoscimento dell'iride da "terminali fissi" a "terminali mobili" e "terminali flessibili"
La maggior parte dei dispositivi tradizionali di riconoscimento dell'iride sono:
● Tornelli fissi;
● Dispositivi da scrivania di fronte a banchi/finestre;
● Alcuni terminali portatili.
Con le lenti bioniche flessibili, possono emergere nuove forme di combinazione:
(1) Robot di servizio morbidiL'estremità anteriore del robot è un "occhio" bionico, che esegue la navigazione e la percezione ambientale mentre raccoglie immagini dell'iride quando si avvicina agli utenti, ottenendo un'autenticazione dell'identità forte senza carta e senza contatto.
(2) Terminali di pattuglia/applicazione della leggeI moduli flessibili sono integrati nelle telecamere del corpo delle forze dell'ordine, nei badge identificativi, negli elmetti e in altre apparecchiature per completare la verifica dell'identità con un livello di sicurezza più elevato durante la naturale interazione uomo-uomo, piuttosto che richiedere all'altra parte di fermarsi e avvicinarsi a un dispositivo fisso.
(3) Vincolo di identità in scenari mediciLe lenti bioniche sono integrate all'estremità anteriore di endoscopi flessibili, cateteri e apparecchiature di ispezione per le riprese dell'iride allo stesso tempo, bloccando il paziente unico con l'identità dell'iride durante l'intero processo di intervento chirurgico, ispezione e somministrazione di farmaci, riducendo le discrepanze e le controversie mediche.
Essenzialmente, gli occhi robotici bionici trasformano il riconoscimento dell'iride da "un dispositivo in un determinato punto" a "una capacità nel sistema", che può essere incorporata in qualsiasi front-end visivo che richieda un'autenticazione dell'identità forte.
3. Migliorare la robustezza del riconoscimento in ambienti complessi
Il riconoscimento dell'iride incontra spesso diversi problemi nell'implementazione ingegneristica:
● Ambienti esterni con abbagliamento e retroilluminazione;
● Occhiali, riflessione e occlusione parziale;
● Grandi movimenti dell'utente e cambiamenti di postura.
Le lenti bioniche flessibili sono progettate per deformazioni e ambienti complessi e le loro caratteristiche materiali e strutturali possono essere utilizzate per:
● Disporre la luce di riempimento e gli angoli di imaging in modo più flessibile per ridurre la riflessione degli occhiali e le luci del corneo;
● Su piattaforme di movimento come i robot, attutire l'impatto della sfocatura del movimento attraverso lo zoom adattivo;
● Regolare rapidamente il percorso ottico in diverse condizioni di illuminazione attraverso la guida della luce stessa per ottenere una qualità di imaging dell'iride relativamente stabile.
Queste capacità si ripercuoteranno direttamente su:
● Tasso di successo del riconoscimento;
● Esperienza utente ("passare stando in piedi per un momento" invece di regolare la postura avanti e indietro);
● Gamma di ambienti utilizzabili (interni, semi-esterni, mobili).
Riepilogo
Gli occhi robotici bionici risolvono il problema di "vedere e vedere chiaramente", mentre il riconoscimento dell'iride risolve il problema di "riconoscere accuratamente e vincolare saldamente".
Quando i due sono combinati, il riconoscimento dell'iride guadagna nuovi ingressi front-end e scenari applicativi più ampi.
