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Un sistema di visione artificiale ispirato ai granchi per ambienti sia terrestri che acquatici

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La telecamera a occhio di granchio rappresentativa del team è immersa a metà nell’acqua per l’imaging anfibio. Credito: Lee et al.

Per navigare in modo efficiente negli ambienti del mondo reale, i robot in genere analizzano le immagini raccolte da dispositivi di imaging integrati nel loro corpo. Per migliorare le prestazioni dei robot, gli ingegneri hanno quindi cercato di sviluppare diversi tipi di telecamere, sensori e sistemi di visione artificiale altamente performanti.

Molti sistemi di visione artificiale sviluppati finora traggono ispirazione dagli occhi di umani, animali, insetti e pesci. Questi sistemi hanno caratteristiche e caratteristiche diverse, a seconda dell’ambiente in cui sono progettati per operare.

La maggior parte dei sensori e delle telecamere esistenti sono progettati per funzionare sia a terra (cioè, in ambienti terrestri) che in acqua (cioè, in ambienti acquatici). Rimangono invece scarsi i sistemi di visione artificiale bio-ispirati in grado di operare sia in ambiente terrestre che acquatico.

I ricercatori dell’Institute for Basic Science (IBS), della Seoul National University, del Gwangju Institute of Science, del Massachusetts Institute of Technology (MIT) and Technology e dell’Università del Texas ad Austin hanno recentemente creato un nuovo sistema di visione ispirato ai granchi, che può funzionare sia a terra che in acqua. Questo sistema anfibio, presentato in un articolo pubblicato in Elettronica della naturaconsente ai robot di ottenere una vista panoramica a 360° dell’ambiente circostante, in modo che possano rilevare gli ostacoli e navigare negli ambienti in modo più efficace.

“Precedenti lavori (compresa la ricerca del nostro gruppo) su telecamere ad ampio campo visivo (FoV) erano sempre a meno di 180°, il che non è sufficiente per la visione panoramica ‘completa’, e non erano adatte a mutevoli ambienti esterni”, Young Min Song, uno dei ricercatori che hanno condotto lo studio, ha detto Tecnologia Xplore. “Volevamo sviluppare una fotocamera FoV a 360° in grado di acquisire immagini sia nell’aria che nell’acqua”.

Un sistema di visione artificiale ispirato ai granchi per ambienti sia terrestri che acquatici

Configurazione dell’immagine per la fotocamera a occhio di granchio. Credito: Lee et al.

Il sistema di visione artificiale sviluppato da questo team di ricercatori trae ispirazione dagli occhi dei granchi violinisti. Questa specie unica, nota anche come granchio chiamato, può ottenere una visione panoramica completa dell’ambiente circostante senza dover muovere gli occhi e il corpo. Per riprodurre artificialmente gli occhi del granchio violinista, Min e i suoi colleghi hanno utilizzato un obiettivo per fotocamera piatto.

“Se si utilizza un obiettivo convenzionale con curvatura per l’imaging, il suo punto focale cambia quando si immerge l’obiettivo nell’acqua”, ha spiegato Song. “D’altra parte, se usi un obiettivo con una superficie piatta, puoi vedere un’immagine nitida indipendentemente dalle condizioni ambientali. Il granchio violinista che vive nella regione intertidale ha questo tipo di superficie piatta della sua lente e abbiamo appena imitato questo granchio -lente dell’occhio.”

Per creare il loro sofisticato sistema di visione, i ricercatori hanno integrato una serie di microlenti piatte con un indice di rifrazione graduato e una serie di fotodiodi al silicio flessibili a forma di pettine su una struttura sferica. Le microlenti utilizzate possono mantenere la loro lunghezza focale indipendentemente dalle variazioni dell’indice di rifrazione esterno tra aria e acqua.

“Per quanto ne sappiamo, è la prima volta che mostriamo sistemi di visione anfibi e panoramici in tutto il mondo”, ha affermato Song. “Il nostro sistema di visione potrebbe aprire la strada a telecamere omnidirezionali a 360° con applicazioni in realtà virtuale o aumentata o una visione per tutte le stagioni per veicoli autonomi”.

Song e i suoi colleghi hanno testato il loro sistema in una serie di simulazioni ottiche e dimostrazioni di imaging, considerando le caratteristiche degli ambienti sia terrestri che acquatici. Finora, hanno scoperto che ha ottenuto risultati molto promettenti, quindi potrebbe presto essere testato e implementato su diversi robot ibridi e anfibi.

“Nei nostri prossimi studi condurremo ulteriore ingegneria per ottenere una risoluzione più elevata e prestazioni di imaging superiori”, ha aggiunto Song. “Inoltre, siamo ancora interessati allo sviluppo di un nuovo tipo di fotocamera con caratteristiche di imaging uniche ispirate agli occhi di altri animali”.


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