Новая эра робототехнического восприятия: появление бионического глаза размером с насекомое

Сделав значительный шаг вперед в технологии роботизированного сенсоринга, исследователи из Шанхайского института микросистем и информационных технологий (SIMIT) при Китайской академии наук (Chinese Academy of Sciences, CAS) успешно разработали бионический фасеточный глаз (compound eye) размером с насекомое. Это микроскопическое чудо размером всего 1,5 миллиметра объединяет 1027 отдельных линз, обеспечивая роботам панорамное поле зрения в 180 градусов и уникальную способность «чуять» окружающую среду.

Черпая вдохновение в сложных зрительных системах плодовых мушек (Drosophila), эта разработка знаменует собой отход от традиционных систем зрения на основе камер. Имитируя структуру глаз членистоногих, команда инженеров создала сенсор, сочетающий широкоугольную визуализацию с высокоскоростным обнаружением движения и химическим сенсорингом. Этот прорыв, опубликованный в журнале Nature Communications, обещает совершить революцию в том, как автономные системы (autonomous systems), особенно микро-дроны и спасательные роботы, ориентируются и взаимодействуют со сложными и опасными средами.

Создание этой визуально-обонятельной системы решает давнюю проблему в робототехнике (robotics): как упаковать комплексные сенсорные возможности в устройство, достаточно легкое для роботов размером с насекомое, сохраняя при этом высокую производительность. Решение команды SIMIT предполагает, что будущее роботизированного восприятия может заключаться не в копировании человеческого глаза, а в совершенствовании фасеточного глаза мира насекомых.

Проектирование микро-фасеточного глаза

Суть этой инновации заключается в сложном процессе производства и структурном дизайне. В отличие от человеческих глаз, которые полагаются на одну линзу для фокусировки света на сетчатке, глаза насекомых являются «сложными» (фасеточными) и состоят из тысяч независимых фоторецепторных единиц, называемых омматидиями (ommatidia). Каждая единица захватывает небольшой сегмент визуального поля, которые мозг насекомого затем сшивает в мозаичное изображение.

Фемтосекундная лазерная точность

Чтобы воспроизвести эту биологическую архитектуру, китайские ученые использовали фемтосекундную лазерную двухфотонную полимеризацию (two-photon polymerization) — высокоточную технику 3D-печати, способную создавать структуры на наноуровне.

• Количество линз: Команда успешно изготовила 1027 отдельных микролинз (омматидиев) на изогнутой гибкой поверхности.
• Размеры: Весь оптический компонент вписывается в площадь 1,5 x 1,5 мм, что делает его достаточно маленьким даже для самых компактных микро-беспилотных летательных аппаратов.
• Поле зрения: Изогнутое расположение линз обеспечивает сенсору панорамное поле зрения в 180 градусов, что значительно превосходит стандартные камеры с плоским сенсором, которые обычно ограничены 60–90 градусами.

Такое широкое поле зрения имеет решающее значение для предотвращения столкновений. В динамичных средах роботу необходимо «видеть» не только то, что находится прямо перед ним, но и то, что приближается сбоку. Геометрия бионического глаза гарантирует практически полное отсутствие слепых зон на периферии.

Высокоскоростное отслеживание движения

Одной из наиболее определяющих характеристик зрения плодовой мушки является скорость ее реакции. В то время как человеческий глаз имеет критическую частоту слияния мельканий (flicker fusion frequency) — скорость, при которой прерывистый свет кажется постоянным — примерно 60 Гц, насекомые работают на гораздо более высоких частотах. Бионический глаз SIMIT достигает частоты слияния мельканий в 1000 Гц (1 кГц).

Эта возможность позволяет сенсору обнаруживать быстро движущиеся объекты с исключительной четкостью. Для дрона, летящего через густой лес, или спасательного робота, пробирающегося сквозь падающие обломки, такая скорость реакции на миллисекундном уровне является решающим фактором между успешным маневром и столкновением.

Преимущество двойного чувства: интеграция зрения и обоняния

Возможно, самым инновационным аспектом этого бионического глаза является его «визуально-обонятельное» слияние. В природе насекомые не полагаются только на зрение; они используют запах, чтобы находить пищу, партнеров и распознавать опасность. Исследователи воспроизвели это, интегрировав массив колориметрических обонятельных датчиков непосредственно в систему зрения.

Как работает «электронный нос»

Обонятельный компонент состоит из печатного массива химических сенсоров, расположенных внутри структуры устройства. Эти сенсоры используют колориметрические индикаторы — материалы, которые меняют цвет при воздействии определенных химических соединений.

• Механизм обнаружения: Когда сенсор сталкивается с летучим органическим соединением (Volatile Organic Compound, VOC) или опасным газом, химическая реакция вызывает отчетливое изменение цвета в массиве сенсоров.
• Визуальное считывание: Поскольку обонятельные данные представлены в виде изменения цвета, визуальные сенсоры могут, по сути, «видеть» запах. Система интерпретирует эти цветовые сдвиги для определения наличия и концентрации конкретных химических веществ.

Такая интеграция особенно ценна для приложений реагирования на стихийные бедствия. В сценарии обрушения здания или утечки на химическом заводе робот, оснащенный этим сенсором, сможет визуально перемещаться по завалам, одновременно обнаруживая невидимые утечки токсичных газов или химические признаки выживших.

Сравнительный анализ: бионические и традиционные сенсоры

Чтобы понять масштаб этого достижения, полезно сравнить новый бионический глаз SIMIT со стандартными модулями камер, используемыми в современной коммерческой робототехнике.

Таблица 1: Техническое сравнение систем роботизированного зрения

Будущие применения в робототехнике и ИИ

Разработка визуально-обонятельного бионического глаза открывает новые пути для развертывания искусственного интеллекта в физическом мире. Команда SIMIT под руководством исследователей из Китайской академии наук (Chinese Academy of Sciences) намечает несколько ближайших областей применения этой технологии.

Автономные микро-дроны

Современные технологии дронов часто ограничены весом полезной нагрузки сенсоров. Камеры высокого разрешения и системы LiDAR могут быть слишком тяжелыми для дронов размером с насекомое. Легкость бионического глаза позволяет создавать «микро-беспилотные летательные аппараты» (Micro-Unmanned Aerial Vehicles, MAV), которые могут летать дольше и маневрировать с ловкостью насекомых. Такие дроны могут быть развернуты роями для картографирования местности или мониторинга сельскохозяйственных культур.

Ликвидация последствий стихийных бедствий и поисково-спасательные операции

В поисково-спасательных операциях время имеет решающее значение. Роботы, оснащенные этими датчиками, могут быть направлены в расщелины, слишком узкие для людей или собак. Высокоскоростное зрение позволит им быстро перемещаться без столкновений, в то время как обонятельные сенсоры смогут улавливать химические следы жизни или опасные утечки, обеспечивая двухслойную систему обнаружения, которая значительно повышает шансы на спасение жизней.

Медицинская робототехника

Помимо полевой робототехники, технология имеет потенциальное применение в медицинских устройствах. Методы миниатюризации, использованные при создании сенсора размером 1,5 мм, могут быть адаптированы для эндоскопических инструментов. «Бионический наконечник» эндоскопа может обеспечить врачам более широкое поле зрения внутри тела и потенциально обнаруживать химические маркеры заболеваний (такие как специфические запахи тканей или побочные продукты бактерий) во время процедуры.

Заключение

Создание 1000-линзового бионического глаза Китайской академией наук представляет собой конвергенцию биологии, нанотехнологий и робототехники. Обратившись к миру природы, ученые разработали сенсор, который преодолевает врожденные ограничения традиционных механических камер. По мере перехода этой технологии из лаборатории в коммерческое применение, она обещает наделить следующее поколение роботов уровнем восприятия, который является не только сверхчеловеческим по своей скорости и охвату, но и глубоко настроенным на химическую реальность окружающего мира. Для индустрии ИИ это подчеркивает критический сдвиг: интеллект заключается не только в обработке данных, но и в их сборе с помощью более умных, эффективных и биологически вдохновленных чувств.