Революция робототехники: ученые создали искусственные глаза, имеющие ключевую особенность человеческих

Как техника учится видеть в экстремальных условиях?

Автономные транспортные средства и современные роботы становятся все более совершенными, однако их искусственные глаза до сих пор имеют существенную слабость – они теряют надежность в условиях смешанного освещения. Представьте ситуацию на ночной трассе, где глубокая темнота чередуется с ослепляющим светом фар встречных автомобилей. Для обычных камер и алгоритмов это настоящий вызов, но исследователи из Университета штата Пенсильвания предложили решение, вдохновленное самой природой. Результаты этого исследования опубликовали в Nature Communications.

Смотрите также Битва за физический интеллект: Китай победил NVIDIA и других конкурентов в робототехнике

По словам доцента кафедры инженерных наук и механики Пенсильванского университета и соавтора работы Ларри Ченга, в таких условиях искусственным оптическим системам бывает крайне трудно различить детали, например, свет красного сигнала светофора.

Чтобы решить эту проблему, ученые разработали инновационные компоненты, известные как фотомемристоры. Это крошечные электрические устройства размером всего 0,5 миллиметра, способные не только воспринимать свет, но и превращать его в электрический ток. Они действуют подобно нейронам в мозге, сохраняя данные даже после того, как основной источник питания выключают.

В основе разработки лежит уникальная комбинация материалов: гибкого гелеобразного пластика PEDOT:PSS и порошкообразного соединения диоксида титана (TiO2). Диоксид титана улавливает свет из окружающей среды и превращает его в фототок. Это напряжение проходит через проводящую поверхность пластика и регулирует количество воды, которую материал поглощает из воздуха или выделяет обратно.

Механизм работает благодаря фототермическому эффекту: в темноте материал активно впитывает влагу, что повышает концентрацию ионов гидроксония и, соответственно, проводимость и чувствительность устройства. Когда свет становится ярким, температура возрастает, вода испаряется, и чувствительность автоматически снижается. Этот процесс имитирует работу палочек и колбочек в человеческом глазу, где специфические пигменты расщепляются под действием ярких лучей и впоследствии медленно восстанавливаются.

Фотомемристор достаточно мал – его размер составляет всего полмиллиметра / Фото Цзя Чжу

Интересно, что искусственная система работает значительно быстрее биологической. Если человеческому глазу для полной адаптации к изменению освещения нужно от 20 до 30 минут, то новые фотомемристоры справляются с этой задачей за считанные секунды. Несмотря на свою высокую эффективность, эти устройства потребляют минимум энергии.

Смотрите также Ученые нашли идеальную форму для роботов будущего

Технологию уже тестируют

Для проверки возможностей технологии ученые создали массив 4 на 4 из таких сенсоров и подключили его к искусственной нейронной сети. Во время эксперимента системе нужно было распознать букву "F" на фоне, яркость которого постоянно менялась, имитируя реальные дорожные условия. Результаты оказались впечатляющими: уже после семи итераций обучения точность распознавания превысила 95 процентов в среде со смешанным светом.

Наши глаза более адаптивны к различным условиям освещения, но эта настройка может занять 20 – 30 минут для полного завершения, 
– добавил Ларри Ченг.

В будущем разработчики планируют объединить эти сенсоры в более масштабные системы, которые смогут одновременно обрабатывать не только визуальные, но и тактильные данные. Это позволит существенно снизить энергозатраты роботов, поскольку обработка информации будет происходить непосредственно в сенсоре, а не через сложные внешние алгоритмы.

Кроме автономного транспорта, технология может помочь людям с недостатками зрения или найти применение в промышленных роботах, работающих в динамических складских условиях.