Gli scienziati hanno sviluppato un nuovo occhio artificiale ispirato all’adattabilità degli animali e reso popolare in film di fantascienza come Terminator. La tecnologia utilizza una pupilla di metallo liquido che cambia automaticamente forma e dimensione in risposta alla luce, il che potrebbe aiutare i robot, i veicoli autonomi e le macchine avanzate a vedere più chiaramente in ambienti in rapido cambiamento.
Ricercatori dell’Università della Carolina del Nord a Chapel Hill, della Westlake University e di altre istituzioni hanno introdotto il concetto in uno studio pubblicato sulla rivista Science. Robotica scientifica. Il loro obiettivo era superare una sfida comune nei moderni sistemi di visione artificiale: le telecamere e i sensori spesso hanno difficoltà quando le condizioni di illuminazione cambiano improvvisamente, come nel passaggio dall’oscurità alla luce del sole.
A differenza degli occhi biologici, molti sistemi di visione artificiale fanno molto affidamento sull’elaborazione del software per compensare la sovraesposizione o la scarsa illuminazione.
Questi metodi possono essere lenti, ad alta intensità energetica e talvolta inaffidabili. Il nuovo sistema invece trae ispirazione direttamente dalla natura replicando il riflesso pupillare della luce, il processo automatico che consente alle pupille umane e animali di adattarsi istantaneamente ai cambiamenti dei livelli di luce.
Il cuore della tecnologia è una pupilla di metallo liquido composta da gallio-indio eutettico (EGaIn). Questo materiale è incorporato in microcanali flessibili e controllato da segnali elettrochimici. Quando la luce intensa colpisce la retina artificiale, produce impulsi elettrici che innescano la contrazione del metallo liquido, riducendo la quantità di luce che entra nel sistema. Quando l’ambiente diventa buio, la pupilla si dilata nuovamente per catturare più luce.
I ricercatori hanno inoltre progettato il sistema in modo che possa modificare non solo la dimensione ma anche la forma della pupilla. Il dispositivo può replicare pupille circolari simili a quelle trovate negli esseri umani, così come forme viste in animali come gatti, rane, pecore o calamari, che potrebbero aiutare i loro sistemi visivi ad adattarsi a diversi ambienti.
L’occhio artificiale è costituito da tre componenti fondamentali
La prima è una retina artificiale emisferica costituita da fotorilevatori sensibili alla luce disposti in una struttura curva. I secondi sono “neuroni” di metallo liquido che convertono i segnali luminosi in impulsi elettrici. La terza è una pupilla adattiva di metallo liquido che regola l’apertura in base a questi segnali. Questi elementi si uniscono per formare un sistema a circuito chiuso che imita il modo in cui gli occhi biologici regolano l’esposizione alla luce.
I test iniziali mostrano che l’approccio può migliorare significativamente la visione artificiale. In un esperimento, la precisione del riconoscimento delle immagini in condizioni di luce intensa è aumentata da circa il 68% a oltre l’83% quando è stato attivato il sistema di pupilla adattiva.
Questo sviluppo è importante perché la visione è una delle capacità più critiche per le tecnologie emergenti come robot, droni e auto senza conducente. Questi sistemi devono funzionare in condizioni reali imprevedibili in cui l’illuminazione può cambiare rapidamente, ad esempio da tunnel bui a luce diurna intensa.
Una soluzione basata su hardware come una pupilla di metallo liquido può ridurre la necessità di algoritmi complessi di elaborazione delle immagini migliorando al tempo stesso la velocità e l’efficienza energetica. Ciò rende la tecnologia particolarmente promettente per i sistemi mobili in cui il consumo energetico e la velocità di elaborazione sono fondamentali.
Le potenziali applicazioni vanno oltre la robotica e i veicoli autonomi
Secondo i ricercatori, la tecnologia potrebbe anche migliorare le telecamere di sicurezza, i dispositivi di imaging medico, i droni e i sistemi informatici neuromorfici che tentano di replicare le funzioni biologiche del cervello.
Per ora, l’occhio artificiale è ancora un prototipo di prova, ma il team sta già lavorando per perfezionare il design. Il lavoro futuro si concentrerà sulla miniaturizzazione degli attuatori e dei fotorilevatori di metalli liquidi, sul miglioramento dell’efficienza energetica e sull’integrazione del sistema nei dispositivi del mondo reale.
I ricercatori prevedono inoltre di espandere il sistema con ulteriori capacità di rilevamento, tra cui immagini a colori e multispettrali, e potenzialmente combinarlo con sensori tattili o di movimento per creare macchine con una percezione più completa.
Se questi sviluppi avranno successo, l’allievo di metallo liquido potrebbe rappresentare un passo significativo verso macchine che vedono il mondo più come esseri umani e animali, consentendo a robot e veicoli di navigare in ambienti complessi con molta maggiore consapevolezza.
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