La cámara inalámbrica más pequeña

Se lanza la cámara controlable inalámbrica más pequeña: se puede montar en la cabeza de un escarabajo y transmitir vídeo a un teléfono móvil en tiempo real.

Ingenieros de la Universidad de Washington han diseñado un pequeño y eficiente sistema de visión robótica con un peso total de sólo 250 mg, lo que equivale a 1/10 del peso de una tarjeta.

Los investigadores lo colocaron en el cuerpo de un escarabajo vivo y pudieron transmitir vídeo en tiempo real a un teléfono inteligente a entre 1 y 5 fotogramas por segundo.

El resultado de esta investigación se publicó en el último número de Science Robotics.

El profesor asociado Shyam Gollakota dirigió su equipo, con financiación de Microsoft Scholarship y la National Science Foundation, para diseñar un sistema de visión lo suficientemente pequeño como para instalarlo en la parte posterior de un escarabajo, que se puede utilizar en condiciones reales. tiempo a través de un dispositivo Bluetooth Al transmitir la vista en primera persona del escarabajo, el alcance de comunicación es ligeramente mayor que el de un campo de fútbol, ​​120 metros.

Durante mucho tiempo, los sistemas de visión complejos han ido inevitablemente acompañados de un gran tamaño y un alto consumo de energía. En otras palabras, sólo los robots grandes están equipados con sistemas de visión. En cuanto a los microrobots, o no pueden instalar dispositivos visuales (el tamaño es demasiado grande) o deben llevar un cable largo para la comunicación y el suministro de energía, de lo contrario, la duración de la batería será preocupante.

Por lo tanto, cómo diseñar un sistema de visión inalámbrico de bajo consumo de energía y alta resistencia para microrobots se ha convertido en un gran desafío para los ingenieros en el campo de la robótica.

Para solucionar este problema, Gollakota y su equipo abandonaron el campo de la ingeniería y buscaron respuestas en el campo de la biología. Al estudiar una variedad de sistemas de visión biológica, los ingenieros han descubierto fenómenos interesantes.

Desde las especies de bajo nivel hasta las especies avanzadas, la energía que aportan los organismos al sistema visual es diferente. Por ejemplo, aunque el plancton es de bajo nivel, a través de una evolución a largo plazo, realmente ha logrado el "rendimiento de alto costo" del sistema visual, que es exactamente lo que los investigadores quieren lograr con los robots.

El "rendimiento de alto costo" tiene dos características: ahorrar dinero si puedes y usarlo tanto como puedas.

Ingenieros de la Universidad de Washington descubrieron que los humanos, como criaturas más avanzadas, nuestros ojos y corteza visual representan el 0,6% del peso total del cuerpo humano, mientras que en los insectos, como las moscas, esta proporción llega al 2,5%-13%.

Cuanto mayor sea el ratio de masa, mayor será el consumo energético.

Tomemos como ejemplo la mosca azul, por no hablar de todo el sistema visual: la retina por sí sola consume el 8% de su energía metabólica.

Un consumo energético tan elevado es inaceptable en la naturaleza. Por tanto, durante su larga evolución, los insectos han "aprendido" toda una serie de formas de ahorrar energía.

El primer paso es desarrollar la función visual sólo en una pequeña zona de la retina. Esto es un poco como "concentrar fuerzas superiores para atacar al enemigo". Dado que el consumo de energía de la retina es demasiado alto, los insectos reducen el alcance de las capacidades visuales de la retina.

El segundo truco consiste en girar más la cabeza y mover menos el cuerpo. Si los insectos quieren obtener información gráfica desde otras direcciones, no necesitan mover el cuerpo. Sus cabezas pueden girar independientemente de su cuerpo. Es evidente que girar la cabeza consume menos energía que mover el cuerpo. Es más, pueden girar la vista sin girar la cabeza.

En palabras de los ingenieros, este movimiento logra una "recopilación de información visual de alta eficiencia".

Al comprender estos puntos clave, el equipo de Gollakota intentó aplicarlos en el diseño del sistema de visión del robot.

Su plan es primero fijar el dispositivo diseñado en la parte posterior de un escarabajo vivo para probar su efecto, luego reemplazar el escarabajo con un robot del tamaño de un escarabajo y finalmente realizar el diseño de un micro-robot con un sistema de visión.

Se puede decir que el sistema de visión artificial diseñado por Gollakota y otros es una versión artificial del sistema de visión de insectos.

En términos de resolución, el sensor de imagen utilizado en este sistema es tan preciso como los insectos. Una resolución más baja significa que es más liviano y ahorra más energía. El diseño final también refleja esto. El peso total de todo el sistema visual es de 250 mg, lo que equivale a 1/10 del peso de una tarjeta.

Además, los ingenieros instalaron la cámara en un dispositivo mecánico giratorio, que está controlado por un controlador a bordo y puede girar 60 grados y trasladarse hacia la izquierda y hacia la derecha. Esto simula la función de la cabeza de un insecto, lo que permite un mayor rango visual sin mover el cuerpo. La función panorámica permite a la cámara capturar objetos en movimiento e incluso tomar fotografías panorámicas.

Finalmente, los ingenieros agregaron creativamente un dispositivo especial: un acelerómetro al sistema de visión. El acelerómetro puede detectar si el escarabajo está en movimiento. La función de disparo del sistema visual sólo se activa cuando el escarabajo está en movimiento.

En palabras de Vikram Iyer, estudiante de doctorado de la escuela que participó en el proyecto, "si la cámara está funcionando todo el tiempo, todo el sistema de visión solo puede durar entre 1 y 2 horas. Después de la instalación El acelerómetro, la duración de la batería aumenta a 6 horas."

Con esta serie de diseños biónicos, el consumo de energía del sistema de visión artificial es entre 24 y 86 veces menor que los métodos tradicionales.

Los resultados experimentales finales fueron satisfactorios. Dado que todo el dispositivo es lo suficientemente ligero, el escarabajo puede incluso trepar a los árboles mientras lleva el "equipo" en su espalda. La fotografía panorámica se logra controlando la cámara giratoria con un teléfono inteligente.

El sistema de visión artificial tuvo éxito en los escarabajos, y luego el equipo diseñó un microrobot del tamaño de un escarabajo equipado con el sistema de visión y logró resultados experimentales igualmente buenos.

Gollakota cree que al reducir significativamente el tamaño, la potencia y el peso de los sistemas de visión tradicionales, el uso de las cámaras se ampliará a nuevas áreas que antes eran imposibles.

"La visión es muy importante tanto para la comunicación como para la navegación. Capturar y transmitir datos en tiempo real a medida que los insectos se mueven será muy beneficioso para el desarrollo de la industria agrícola y el Internet industrial de las cosas", afirmó Gollakota. .

Al mismo tiempo, el equipo se está preparando para hacer público el código del proyecto y compartirlo con todos los investigadores.

En el futuro, planean dar un paso más en el "bajo consumo de energía", eliminando por completo las limitaciones de las baterías, algo que se puede lograr utilizando energía solar.