Впервые люди всерьез задумались о «глазах машин» не в лаборатории, а в научно-фантастических произведениях.
Сейчас настоящий «бионический роботизированный глаз» перешел с бумаги в реальный прототип: он использует линзу из мягких материалов и сам свет в качестве «энергии», может видеть крошечные волоски на ножке муравья в микроскопическом масштабе, а его разрешающая способность превзошла физиологический предел человеческого глаза.
Это не просто «обновление камеры», а реконструкция «того, как машины видят мир» посредством сочетания оптики и материалов.
I. Что же такое этот «роботизированный глаз»?
Эта работа принадлежит команде из ведущего инженерного университета в Соединенных Штатах. Они создали не заключенный в оболочку «электронный глаз», а совершенно новую мягкую бионическую линзовую систему, сокращенно PHySL (photoresponsive hydrogel soft lens) на английском языке, что дословно переводится как «фоточувствительная гидрогелевая мягкая линза».
Его основную структуру можно разбить следующим образом:
● Центр: гибкая силиконовая полимерная линза, используемая для завершения базовой визуализации;
● Внешнее кольцо: фоточувствительное гидрогелевое кольцо, встроенное с графеном/оксидом графена, эквивалентное кругу искусственных «цилиарных мышц»;
● Общее: полностью мягкое и гибкое, без жестких линз, моторов или винтов.
Суть в том, что он не полагается ни на какие моторы или внешние источники питания, а использует свет для самонастройки масштаба.
II. Как он выполняет фокусировку с помощью «света»?
Традиционные камеры или человеческие глаза полагаются на механические или биологические «мышцы» для фокусировки.
Эта бионическая линза идет совершенно другим путем: она использует фототермический эффект и изменение объема материалов, чтобы заставить линзу «двигаться» самостоятельно.
Логика очень проста:
1. Внешний гидрогель легирован графеном — графен обладает сильным поглощением света и может преобразовывать световую энергию в тепловую.
2. Когда на него падает свет, местная температура повышается — гидрогель чувствителен к температуре и подвергается обратимому расширению или сжатию при нагревании.
3. Расширение/сжатие гидрогеля сжимает линзу — это эквивалентно кольцу «управляемых светом мышц», которое оказывает механическое воздействие на среднюю силиконовую линзу.
4. Кривизна линзы изменяется, и фокусное расстояние изменяется соответственно — по мере изменения кривизны изменяется способ схождения света, и фокусная точка перемещается вперед и назад для достижения «беспроводного масштабирования».
В более сложной системе исследователи встроили эту мягкую линзу в микрофлюидную сеть гидрогеля, используя тот же луч света для управления как «визуализацией + переключением каналов жидкости» одновременно, создав прототип «безэлектронной мягкой камеры».
Это означает, что в определенных сценариях камера может избавиться от электричества и твердых материалов и быть завершена только со светом и мягкими материалами.
III. Почему его «зрение превосходит человеческий глаз»?
В сообщениях СМИ использовалось поразительное заявление: «Ученые создали роботизированный глаз с лучшим зрением, чем у людей».
Разбив его, можно выделить в основном два аспекта:
1. Разрешающая способность превышает физиологический предел человеческого глаза
Ограниченная физической структурой человеческого глаза и расположением сетчатки, предел разрешения невооруженного глаза составляет примерно 100 микрометров. Чтобы увидеть более мелкие структуры, необходимы микроскопы.
В экспериментальной проверке эта бионическая мягкая линза может:
● Разрешать детали порядка 4 микрометров;
● Четко отображать крошечные волоски и микроструктуры на ножке муравья.
В измерениях «разрешения» и «возможности микроскопической визуализации вблизи» он превзошел физический верхний предел человеческого невооруженного глаза.
2. Морфология и интегрируемость отличаются от традиционной оптики
По сравнению с жесткими стеклянными/пластиковыми линзами, эта мягкая линза имеет несколько характеристик:
● Полностью мягкая и может быть интегрально сформирована с корпусом мягких роботов;
● Не нуждается в моторах, проводах или шестернях, имеет чрезвычайно простую структуру;
● Полагается только на световой привод и обладает потенциалом «самообеспечения энергией».
В экстремальных условиях, куда людям не рекомендуется входить, а традиционные линзы не подходят для размещения (высокое давление, узкие пространства, изогнутые каналы, живые организмы и т. д.), интегрируемость и адаптируемость этой мягкой линзы трудно достижимы для человеческого глаза и традиционных линз.
Следует отметить, что общая производительность человеческого «зрения» является комплексным результатом «глаз + мозг». В настоящее время бионическая мягкая линза демонстрирует преимущества только в аспекте «оптической визуализации и фокусировки» и не обладает развитым зрительным познанием, подобным человеческому мозгу.
IV. Где это можно использовать: от мягких роботов до минимально инвазивной медицины
Этот тип бионического роботизированного глаза не предназначен для добавления дополнительной строки «параметров» в мобильные телефоны, а для обеспечения визуальной основы для целого ряда новых форм.
Можно выделить несколько типичных направлений:
1. Мягкие поисково-спасательные роботыМягкие роботы, перемещающиеся по завалам, должны иметь мягкое тело и иметь возможность четко видеть детали. Традиционные жесткие линзы трудно адаптировать к деформации тела, и этот тип линз естественным образом подходит.
2. Сельскохозяйственный и промышленный контрольОн может приближаться к листьям растений, фруктам, паяным соединениям и микроструктурам для получения изображений с высоким разрешением вблизи, помогая выявлять пятна болезней, трещины и дефекты.
3. Минимально инвазивная хирургия и эндоскопическая визуализацияМягкие линзы интегрированы на переднем конце гибких катетеров и гибких эндоскопов, чтобы уменьшить повреждение тканей, вызванное жесткими зондами, и поддерживать автоматическую фокусировку в узких пространствах.
4. Микроскопическое наблюдение биологических образцовОн может заменить часть объективов микроскопа, чтобы сделать недорогие, гибкие модули микроскопической визуализации для быстрой диагностики на месте.
5. Обнаружение в экстремальных условияхВ глубоком море, условиях высокого давления и сильных ударов гибкие линзы с меньшей вероятностью сломаются, чем традиционные линзы, и больше подходят для долгосрочного развертывания.
С точки зрения промышленной логики, эта технология открывает новое направление «мягких визуальных интерфейсов», а не просто «обновление камер высокого разрешения на одно поколение».
V. Сочетание бионических роботизированных глаз и распознавания радужной оболочки глаза
Далее мы сосредоточимся только на одном: какое практическое значение имеет этот тип бионического роботизированного глаза для распознавания радужной оболочки глаза.
1. Лучший «фронтальный коллектор»: предоставление более четких изображений для распознавания радужной оболочки глаза
Верхний предел распознавания радужной оболочки глаза во многом определяется качеством фронтальной визуализации:
● Достаточно ли четкая текстура;
● Поддаются ли контролю отражение, окклюзия и расфокусировка;
● Можно ли добиться стабильного сбора в несогласованном состоянии.
Гибкие бионические линзы непосредственно полезны в трех аспектах:
(1) Возможность высокого разрешения вблизиТекстура радужной оболочки сама по себе является микроструктурной особенностью. Разрешающая способность микрометрового уровня расширяет пространство извлечения признаков и увеличивает объем закодированной информации, что теоретически может улучшить различимость и защиту от подделок.
(2) Гибкая фокусировка и адаптивная позаМягкие линзы могут динамически фокусироваться посредством управления световым полем и по-прежнему обеспечивать нахождение радужной оболочки в фокальной плоскости, когда объект перемещается вперед и назад или имеет нестабильную позу. Это означает, что требования к положению стоя, положению головы и уровню сотрудничества могут быть снижены, что способствует развертыванию в каналах, сценариях потока пешеходов и сценариях взаимодействия с роботами.
(3) Морфологическая адаптируемостьТрадиционные модули радужной оболочки глаза представляют собой «коробку» с ограниченными местами установки. Гибкие бионические линзы могут:
● Быть встроенными в дверные рамы, стены и «лицо» роботов;
● Быть интегрированными в переднюю часть носимых устройств (очки, повязки на голову);
● Соответствовать изогнутым структурам и вписываться в окружающую среду.
Для распознавания радужной оболочки глаза это означает, что точки сбора могут быть более скрытыми, естественными и разнообразными.
2. Перемещение распознавания радужной оболочки глаза с «фиксированных терминалов» на «мобильные терминалы» и «гибкие терминалы»
Большинство традиционных устройств распознавания радужной оболочки глаза являются:
● Фиксированными турникетами;
● Настольными устройствами перед прилавками/окнами;
● Определенными портативными терминалами.
С гибкими бионическими линзами могут появиться новые формы комбинаций:
(1) Мягкие сервисные роботыПередняя часть робота — это бионический «глаз», который выполняет навигацию и восприятие окружающей среды, собирая изображения радужной оболочки глаза при приближении к пользователям, обеспечивая бесконтактную надежную аутентификацию личности без карты.
(2) Патрульные/правоохранительные терминалыГибкие модули интегрированы в нагрудные камеры правоохранительных органов, удостоверения личности, шлемы и другое оборудование для завершения проверки личности с более высоким уровнем безопасности во время естественного взаимодействия человека с человеком, а не требуя от другой стороны останавливаться и приближаться к фиксированному устройству.
(3) Привязка личности в медицинских сценарияхБионические линзы интегрированы на переднем конце гибких эндоскопов, катетеров и инспекционного оборудования для одновременной съемки радужной оболочки глаза, блокируя уникального пациента с идентификацией радужной оболочки глаза в течение всего процесса хирургии, осмотра и введения лекарств, уменьшая несоответствия и медицинские споры.
По сути, бионические роботизированные глаза превращают распознавание радужной оболочки глаза из «устройства в определенной точке» в «возможность в системе», которую можно встроить в любой визуальный интерфейс, требующий надежной аутентификации личности.
3. Повышение надежности распознавания в сложных условиях
Распознавание радужной оболочки глаза часто сталкивается с несколькими проблемами при реализации на практике:
● Наружное ослепление и фоновое освещение;
● Очки, отражение и частичная окклюзия;
● Большое движение пользователя и изменения позы.
Гибкие бионические линзы разработаны для сложных деформаций и условий, и их материальные и структурные характеристики могут быть использованы для:
● Более гибкой организации заполняющего света и углов изображения для уменьшения отражения очков и бликов роговицы;
● На платформах движения, таких как роботы, буферизации влияния размытия движения за счет адаптивного масштабирования;
● Быстрой регулировки оптического пути в различных условиях освещения с помощью самого светового привода для получения относительно стабильного качества изображения радужной оболочки глаза.
Эти возможности будут напрямую переданы:
● Коэффициент успешности распознавания;
● Пользовательский опыт («пройти, постояв мгновение» вместо регулировки позы вперед и назад);
● Диапазон используемой среды (в помещении, полуоткрытый, мобильный).
Резюме
Бионические роботизированные глаза решают проблему «видеть и видеть ясно», в то время как распознавание радужной оболочки глаза решает проблему «распознавать точно и связывать надежно».
При их объединении распознавание радужной оболочки глаза получает новые входные интерфейсы и более широкие сценарии применения.
