Η πρώτη φορά που οι άνθρωποι σκέφτηκαν σοβαρά τα «μάτια των μηχανών» δεν ήταν σε ένα εργαστήριο, αλλά σε έργα επιστημονικής φαντασίας.
Τώρα, ένα πραγματικά «βιονικό ρομποτικό μάτι» έχει μετακινηθεί από χαρτιά σε ένα πραγματικό πρωτότυπο: χρησιμοποιεί έναν φακό από μαλακά υλικά και το ίδιο το φως ως «ενέργεια», μπορεί να δει τις μικροσκοπικές τρίχες στο πόδι ενός μυρμηγκιού σε μικροσκοπική κλίμακα και η διακριτική του ικανότητα έχει ξεπεράσει το φυσιολογικό όριο του ανθρώπινου ματιού.
Αυτό δεν είναι μια απλή «αναβάθμιση κάμερας», αλλά μια ανακατασκευή του «πώς οι μηχανές βλέπουν τον κόσμο» μέσω του συνδυασμού οπτικής και υλικών.
I. Τι ακριβώς είναι αυτό το «Ρομποτικό Μάτι»;
Αυτή η εργασία προέρχεται από μια ομάδα σε ένα κορυφαίο πανεπιστήμιο μηχανικής στις Ηνωμένες Πολιτείες. Αυτό που δημιούργησαν δεν είναι ένα «ηλεκτρονικό βολβό» με κέλυφος, αλλά ένα ολοκαίνουργιο μαλακό βιονικό σύστημα φακών, συντομογραφημένο ως PHySL (photoresponsive hydrogel soft lens) στα Αγγλικά, το οποίο μεταφράζεται κυριολεκτικά σε «φωτοευαίσθητος μαλακός φακός υδρογέλης».
Η βασική του δομή μπορεί να αναλυθεί ως εξής:
● Κέντρο: Ένας εύκαμπτος φακός πολυμερούς σιλικόνης, που χρησιμοποιείται για την ολοκλήρωση βασικής απεικόνισης;
● Εξωτερικός δακτύλιος: Ένας φωτοευαίσθητος δακτύλιος υδρογέλης ενσωματωμένος με γραφένιο/οξείδιο γραφενίου, που ισοδυναμεί με έναν κύκλο τεχνητών «ακτινωτών μυών»;
● Συνολικά: Πλήρως μαλακό και εύκαμπτο, χωρίς άκαμπτους φακούς, κινητήρες ή βίδες.
Ο πυρήνας βρίσκεται στο εξής: δεν βασίζεται σε κινητήρες ή εξωτερικές πηγές ενέργειας, αλλά χρησιμοποιεί το φως για να κινείται αυτόματα για ζουμ.
II. Πώς ολοκληρώνει την εστίαση με το «Φως»;
Οι παραδοσιακές κάμερες ή τα ανθρώπινα μάτια βασίζονται σε μηχανικούς ή βιολογικούς «μυς» για την εστίαση.
Αυτός ο βιονικός φακός ακολουθεί μια εντελώς διαφορετική διαδρομή: χρησιμοποιεί το φωτοθερμικό φαινόμενο και την αλλαγή όγκου των υλικών για να κάνει τον φακό να «κινείται» από μόνος του.
Η λογική είναι πολύ σαφής:
1. Η εξωτερική υδρογέλη είναι ντοπαρισμένη με γραφένιο—το γραφένιο έχει ισχυρή απορρόφηση φωτός και μπορεί να μετατρέψει την ενέργεια του φωτός σε θερμική ενέργεια.
2. Όταν το φως λάμπει πάνω του, η τοπική θερμοκρασία αυξάνεται—η υδρογέλη είναι ευαίσθητη στη θερμοκρασία και υφίσταται αναστρέψιμη διαστολή ή συστολή όταν θερμαίνεται.
3. Η διαστολή/συστολή της υδρογέλης συμπιέζει τον φακό—αυτό ισοδυναμεί με έναν δακτύλιο «μυών που κινούνται από το φως» που ασκεί μηχανικά αποτελέσματα στον μεσαίο φακό σιλικόνης.
4. Η καμπυλότητα του φακού αλλάζει και η εστιακή απόσταση αλλάζει ανάλογα—καθώς η καμπυλότητα αλλάζει, ο τρόπος που συγκλίνει το φως αλλάζει και το εστιακό σημείο κινείται μπρος-πίσω για να επιτευχθεί «ασύρματο ζουμ».
Σε ένα πιο σύνθετο σύστημα, οι ερευνητές ενσωμάτωσαν αυτόν τον μαλακό φακό σε ένα μικρορευστικό δίκτυο υδρογέλης, χρησιμοποιώντας την ίδια δέσμη φωτός για να ελέγχουν τόσο την «απεικόνιση + εναλλαγή καναλιού υγρού» ταυτόχρονα, δημιουργώντας ένα πρωτότυπο «μαλακής κάμερας χωρίς ηλεκτρονικά».
Αυτό σημαίνει ότι σε ορισμένα σενάρια, η κάμερα μπορεί να απαλλαγεί από την ηλεκτρική ενέργεια και τα σκληρά υλικά και να ολοκληρωθεί μόνο με φως και μαλακά υλικά.
III. Γιατί η «Όρασή του είναι ανώτερη από το ανθρώπινο μάτι»;
Οι αναφορές των μέσων ενημέρωσης χρησιμοποίησαν μια εντυπωσιακή δήλωση: «Οι επιστήμονες έχουν δημιουργήσει ένα ρομποτικό μάτι με καλύτερη όραση από τους ανθρώπους».
Αναλύοντας το, υπάρχουν κυρίως δύο πτυχές:
1. Η διακριτική ικανότητα υπερβαίνει το φυσιολογικό όριο του ανθρώπινου ματιού
Περιορισμένη από τη φυσική δομή του ανθρώπινου ματιού και τη διάταξη του αμφιβληστροειδούς, το όριο ανάλυσης του γυμνού ματιού είναι περίπου της τάξης των 100 μικρομέτρων. Για να δείτε μικρότερες δομές, χρειάζονται μικροσκόπια.
Σε πειραματική επαλήθευση, αυτός ο βιονικός μαλακός φακός μπορεί:
● Να αναλύσει λεπτομέρειες της τάξης των 4 μικρομέτρων;
● Να απεικονίσει καθαρά τις μικροσκοπικές τρίχες και μικροδομές στο πόδι ενός μυρμηγκιού.
Στις διαστάσεις της «ανάλυσης» και της «ικανότητας μικροσκοπικής απεικόνισης κοντινής εμβέλειας», έχει ξεπεράσει το φυσικό ανώτατο όριο του ανθρώπινου γυμνού ματιού.
2. Η μορφολογία και η δυνατότητα ενσωμάτωσης διαφέρουν από την παραδοσιακή οπτική
Σε σύγκριση με τους άκαμπτους φακούς γυαλιού/πλαστικού, αυτός ο μαλακός φακός έχει αρκετά χαρακτηριστικά:
● Πλήρως μαλακός και μπορεί να σχηματιστεί ενσωματωμένα με το σώμα των μαλακών ρομπότ;
● Δεν χρειάζεται κινητήρες, καλώδια ή γρανάζια, με εξαιρετικά απλή δομή;
● Βασίζεται μόνο στην κίνηση του φωτός και έχει τη δυνατότητα «αυτο-παροχής ενέργειας».
Σε ακραία περιβάλλοντα όπου οι άνθρωποι δεν είναι κατάλληλοι να εισέλθουν και οι παραδοσιακοί φακοί δεν είναι κατάλληλοι να τοποθετηθούν (υψηλή πίεση, στενοί χώροι, καμπύλα κανάλια, ζωντανοί οργανισμοί κ.λπ.), η δυνατότητα ενσωμάτωσης και η προσαρμοστικότητα αυτού του μαλακού φακού είναι δύσκολο να επιτευχθούν από το ανθρώπινο μάτι και τους παραδοσιακούς φακούς.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η συνολική απόδοση της ανθρώπινης «όρασης» είναι ένα ολοκληρωμένο αποτέλεσμα «ματιών + εγκεφάλου». Προς το παρόν, ο βιονικός μαλακός φακός δείχνει μόνο πλεονεκτήματα στην πτυχή της «οπτικής απεικόνισης και εστίασης» και δεν έχει προηγμένη οπτική γνώση παρόμοια με τον ανθρώπινο εγκέφαλο.
IV. Πού μπορεί να χρησιμοποιηθεί: Από μαλακά ρομπότ έως ελάχιστα επεμβατική ιατρική
Αυτός ο τύπος βιονικού ρομποτικού ματιού δεν έχει σχεδιαστεί για να προσθέσει μια επιπλέον γραμμή «παραμέτρων» στα κινητά τηλέφωνα, αλλά για να παρέχει ένα οπτικό θεμέλιο για μια δέσμη νέων μορφών.
Μπορούν να δουν αρκετές τυπικές κατευθύνσεις:
1. Μαλακά ρομπότ έρευνας και διάσωσηςΤα μαλακά ρομπότ που κινούνται μέσα από ερείπια πρέπει να έχουν μαλακό σώμα και να μπορούν να βλέπουν καθαρά τις λεπτομέρειες. Οι παραδοσιακοί σκληροί φακοί είναι δύσκολο να ακολουθήσουν την παραμόρφωση του σώματος και αυτός ο τύπος φακού είναι φυσικά κατάλληλος.
2. Γεωργική και βιομηχανική επιθεώρησηΜπορεί να πλησιάσει τα φύλλα των φυτών, τα φρούτα, τις αρθρώσεις συγκόλλησης και τις μικροδομές για απεικόνιση υψηλής ανάλυσης κοντινής εμβέλειας, βοηθώντας στον εντοπισμό κηλίδων ασθενειών, ρωγμών και ελαττωμάτων.
3. Ελάχιστα επεμβατική χειρουργική και ενδοσκοπική απεικόνισηΟι μαλακοί φακοί ενσωματώνονται στο μπροστινό άκρο των εύκαμπτων καθετήρων και των εύκαμπτων ενδοσκοπίων για τη μείωση της βλάβης των ιστών που προκαλείται από άκαμπτες ανιχνευτές και τη διατήρηση της αυτόματης εστίασης σε στενούς χώρους.
4. Μικροσκοπική παρατήρηση βιολογικών δειγμάτωνΜπορεί να αντικαταστήσει μέρος των φακών του μικροσκοπίου για να δημιουργήσει χαμηλού κόστους, εύκαμπτες μονάδες μικροσκοπικής απεικόνισης για επιτόπου ταχεία ανίχνευση.
5. Ανίχνευση ακραίων περιβαλλόντωνΣε βαθιά θάλασσα, υψηλή πίεση και περιβάλλοντα ισχυρής πρόσκρουσης, οι εύκαμπτοι φακοί είναι λιγότερο πιθανό να σπάσουν από τους παραδοσιακούς φακούς και είναι πιο κατάλληλοι για μακροχρόνια ανάπτυξη.
Από μια βιομηχανική λογική, αυτή η τεχνολογία ανοίγει ένα νέο μονοπάτι «μαλακών οπτικών μπροστινών άκρων», αντί να «αναβαθμίζει απλώς τις κάμερες υψηλής ευκρίνειας κατά μία γενιά».
V. Ο συνδυασμός βιονικών ρομποτικών ματιών και αναγνώρισης ίριδας
Στη συνέχεια, εστιάζουμε μόνο σε ένα πράγμα: ποια πρακτική σημασία έχει αυτός ο τύπος βιονικού ρομποτικού ματιού για την αναγνώριση ίριδας.
1. Ένας καλύτερος «συλλέκτης μπροστινού άκρου»: παρέχοντας καθαρότερες εικόνες για την αναγνώριση ίριδας
Το ανώτατο όριο της αναγνώρισης ίριδας καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την ποιότητα της απεικόνισης του μπροστινού άκρου:
● Εάν η υφή είναι αρκετά καθαρή;
● Εάν η αντανάκλαση, η απόφραξη και η αποεστίαση είναι ελεγχόμενες;
● Εάν μπορεί να επιτευχθεί σταθερή συλλογή σε μη συνεργάσιμη κατάσταση.
Οι εύκαμπτοι βιονικοί φακοί είναι άμεσα χρήσιμοι σε τρεις πτυχές:
(1) Δυνατότητα υψηλής ανάλυσης κοντινής εμβέλειαςΗ υφή της ίριδας είναι από μόνη της ένα χαρακτηριστικό μικροδομής. Η διακριτική ικανότητα επιπέδου μικρομέτρων επεκτείνει τον χώρο εξαγωγής χαρακτηριστικών και αυξάνει τον κωδικοποιημένο όγκο πληροφοριών, ο οποίος θεωρητικά μπορεί να βελτιώσει τη δυνατότητα διάκρισης και την ικανότητα κατά της παραποίησης.
(2) Εύκαμπτη εστίαση και προσαρμοστική στάσηΟι μαλακοί φακοί μπορούν να εστιάσουν δυναμικά μέσω του ελέγχου του πεδίου φωτός και εξακολουθούν να διασφαλίζουν ότι η ίριδα βρίσκεται στο εστιακό επίπεδο όταν το υποκείμενο κινείται μπρος-πίσω ή έχει ασταθή στάση. Αυτό σημαίνει ότι οι απαιτήσεις για τη θέση ορθοστασίας, τη θέση του κεφαλιού και το επίπεδο συνεργασίας μπορούν να μειωθούν, κάτι που ευνοεί την ανάπτυξη σε κανάλια, σενάρια ροής πεζών και σενάρια αλληλεπίδρασης ρομπότ.
(3) Μορφολογική προσαρμοστικότηταΟι παραδοσιακές μονάδες ίριδας είναι «ένα κουτί» με περιορισμένες θέσεις εγκατάστασης. Οι εύκαμπτοι βιονικοί φακοί μπορούν:
● Να ενσωματωθούν σε κάσες θυρών, τοίχους και το «πρόσωπο» των ρομπότ;
● Να ενσωματωθούν στο μπροστινό άκρο των φορετών συσκευών (γυαλιά, κεφαλόδεσμοι);
● Να ταιριάζουν σε καμπύλες δομές και να ενσωματώνονται στο περιβάλλον.
Για την αναγνώριση ίριδας, αυτό σημαίνει ότι τα σημεία συλλογής μπορούν να είναι πιο κρυφά, φυσικά και ποικίλα.
2. Μετακίνηση της αναγνώρισης ίριδας από «σταθερά τερματικά» σε «κινητά τερματικά» και «εύκαμπτα τερματικά»
Οι περισσότερες παραδοσιακές συσκευές αναγνώρισης ίριδας είναι:
● Σταθερές περιστροφές;
● Συσκευές επιφάνειας εργασίας μπροστά από πάγκους/παράθυρα;
● Ορισμένα τερματικά χειρός.
Με εύκαμπτους βιονικούς φακούς, μπορούν να εμφανιστούν νέες μορφές συνδυασμού:
(1) Μαλακά ρομπότ εξυπηρέτησηςΤο μπροστινό άκρο του ρομπότ είναι ένα βιονικό «μάτι», το οποίο εκτελεί πλοήγηση και αντίληψη του περιβάλλοντος ενώ συλλέγει εικόνες ίριδας όταν πλησιάζει τους χρήστες, επιτυγχάνοντας ισχυρή ταυτοποίηση χωρίς κάρτα και χωρίς επαφή.
(2) Τερματικά περιπολίας/επιβολής του νόμουΟι εύκαμπτες μονάδες είναι ενσωματωμένες στις κάμερες σώματος επιβολής του νόμου, στα σήματα ταυτότητας, στα κράνη και σε άλλο εξοπλισμό για την ολοκλήρωση της επαλήθευσης ταυτότητας με υψηλότερο επίπεδο ασφάλειας κατά τη διάρκεια της φυσικής ανθρώπινης αλληλεπίδρασης, αντί να απαιτείται από το άλλο μέρος να σταματήσει και να πλησιάσει μια σταθερή συσκευή.
(3) Δέσμευση ταυτότητας σε ιατρικά σενάριαΟι βιονικοί φακοί είναι ενσωματωμένοι στο μπροστινό άκρο των εύκαμπτων ενδοσκοπίων, των καθετήρων και του εξοπλισμού επιθεώρησης για λήψη ίριδας ταυτόχρονα, κλειδώνοντας τη μοναδική ταυτότητα του ασθενούς με την ταυτότητα της ίριδας κατά τη διάρκεια ολόκληρης της διαδικασίας χειρουργικής επέμβασης, επιθεώρησης και χορήγησης φαρμάκων, μειώνοντας τις ασυμφωνίες και τις ιατρικές διαφορές.
Ουσιαστικά, τα βιονικά ρομποτικά μάτια μετατρέπουν την αναγνώριση ίριδας από «μια συσκευή σε ένα συγκεκριμένο σημείο» σε «μια δυνατότητα στο σύστημα», η οποία μπορεί να ενσωματωθεί σε οποιοδήποτε οπτικό μπροστινό άκρο που απαιτεί ισχυρή ταυτοποίηση.
3. Βελτίωση της ανθεκτικότητας αναγνώρισης σε πολύπλοκα περιβάλλοντα
Η αναγνώριση ίριδας συναντά συχνά αρκετά προβλήματα στην υλοποίηση μηχανικής:
● Υπαίθριοι περιβάλλοντες με έντονη λάμψη και οπίσθιο φωτισμό;
● Γυαλιά, αντανάκλαση και μερική απόφραξη;
● Μεγάλη κίνηση χρήστη και αλλαγές στάσης.
Οι εύκαμπτοι βιονικοί φακοί έχουν σχεδιαστεί για πολύπλοκες παραμορφώσεις και περιβάλλοντα και τα υλικά και τα δομικά τους χαρακτηριστικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για:
● Διευθέτηση φωτισμού πλήρωσης και γωνιών απεικόνισης πιο ευέλικτα για τη μείωση της αντανάκλασης των γυαλιών και των ανταυγειών του κερατοειδούς;
● Σε πλατφόρμες κίνησης όπως τα ρομπότ, απορρόφηση των επιπτώσεων της θόλωσης κίνησης μέσω προσαρμοστικού ζουμ;
● Γρήγορη ρύθμιση της οπτικής διαδρομής υπό διαφορετικές συνθήκες φωτισμού μέσω της ίδιας της κίνησης του φωτός για την επίτευξη σχετικά σταθερής ποιότητας απεικόνισης ίριδας.
Αυτές οι δυνατότητες θα τροφοδοτήσουν άμεσα:
● Ποσοστό επιτυχίας αναγνώρισης;
● Εμπειρία χρήστη («περάστε στέκεστε για μια στιγμή» αντί να προσαρμόζετε τη στάση μπρος-πίσω);
● Χρήσιμη περιοχή περιβάλλοντος (εσωτερικός χώρος, ημι-υπαίθριος, κινητός).
Σύνοψη
Τα βιονικά ρομποτικά μάτια λύνουν το πρόβλημα του «βλέπω και βλέπω καθαρά», ενώ η αναγνώριση ίριδας λύνει το πρόβλημα του «αναγνωρίζω με ακρίβεια και δένω σταθερά».
Όταν τα δύο συνδυάζονται, η αναγνώριση ίριδας αποκτά νέες εισόδους μπροστινού άκρου και ευρύτερα σενάρια εφαρμογής.
