Як техніка вчиться бачити в екстремальних умовах?
Автономні транспортні засоби та сучасні роботи стають дедалі досконалішими, проте їхні штучні очі досі мають суттєву слабкість – вони втрачають надійність за умов змішаного освітлення. Уявіть ситуацію на нічній трасі, де глибока темрява чергується з осліплюючим світлом фар зустрічних автомобілів. Для звичайних камер і алгоритмів це справжній виклик, але дослідники з Університету штату Пенсільванія запропонували рішення, натхненне самою природою. Результати цього дослідження опублікували в Nature Communications.
Дивіться також Битва за фізичний інтелект: Китай переміг NVIDIA та інших конкурентів у робототехніці
За словами доцента кафедри інженерних наук і механіки Пенсільванського університету та співавтора роботи Ларрі Ченга, у таких умовах штучним оптичним системам буває вкрай важко розрізнити деталі, наприклад, світло червоного сигналу світлофора.
Щоб розв'язати цю проблему, науковці розробили інноваційні компоненти, відомі як фотомемристори. Це крихітні електричні пристрої розміром усього 0,5 міліметра, що здатні не лише сприймати світло, а й перетворювати його на електричний струм. Вони діють подібно до нейронів у мозку, зберігаючи дані навіть після того, як основне джерело живлення вимикають.
В основі розробки лежить унікальна комбінація матеріалів: гнучкого гелеподібного пластику PEDOT:PSS та порошкоподібної сполуки діоксиду титану (TiO2). Діоксид титану вловлює світло з навколишнього середовища та перетворює його на фотострум. Ця напруга проходить крізь провідну поверхню пластику та регулює кількість води, яку матеріал поглинає з повітря або виділяє назад.
Механізм працює завдяки фототермічному ефекту: у темряві матеріал активно вбирає вологу, що підвищує концентрацію іонів гідроксонію і, відповідно, провідність та чутливість пристрою. Коли світло стає яскравим, температура зростає, вода випаровується, і чутливість автоматично знижується. Цей процес імітує роботу паличок і колбочок у людському оці, де специфічні пігменти розщеплюються під дією яскравих променів і згодом повільно відновлюються.
Фотомемристор досить малий – його розмір становить лише півміліметра / Фото Цзя Чжу
Цікаво, що штучна система працює значно швидше за біологічну. Якщо людському оку для повної адаптації до зміни освітлення потрібно від 20 до 30 хвилин, то нові фотомемристори справляються з цим завданням за лічені секунди. Попри свою високу ефективність, ці пристрої споживають мінімум енергії.
Дивіться також Учені знайшли ідеальну форму для роботів майбутнього
Технологію вже тестують
Для перевірки можливостей технології вчені створили масив 4 на 4 з таких сенсорів і підключили його до штучної нейронної мережі. Під час експерименту системі потрібно було розпізнати букву "F" на фоні, яскравість якого постійно змінювалася, імітуючи реальні дорожні умови. Результати виявилися вражаючими: вже після семи ітерацій навчання точність розпізнавання перевищила 95 відсотків у середовищі зі змішаним світлом.
Наші очі більш адаптивні до різних умов освітлення, але це налаштування може тривати 20 – 30 хвилин для повного завершення,
– додав Ларрі Ченг.
У майбутньому розробники планують об'єднати ці сенсори у масштабніші системи, які зможуть одночасно обробляти не лише візуальні, а й тактильні дані. Це дозволить суттєво знизити енерговитрати роботів, оскільки обробка інформації відбуватиметься безпосередньо в сенсорі, а не через складні зовнішні алгоритми.
Окрім автономного транспорту, технологія може допомогти людям із вадами зору або знайти застосування у промислових роботах, що працюють у динамічних складських умовах.