Ο πρωτοποριακός αισθητήρας που παρουσιάστηκε πρόσφατα υπόσχεται να αλλάξει ριζικά τον τρόπο με τον οποίο τα εξελιγμένα self driving cars, καθώς και κάθε σύγχρονο αυτόνομο robot, αντιλαμβάνονται το περιβάλλον τους σε συνθήκες εξαιρετικά χαμηλού ή μεταβαλλόμενου φωτισμού. Η ασφαλής πλοήγηση κατά τη διάρκεια της νύχτας ή σε περιβάλλοντα με απρόβλεπτες διακυμάνσεις στην ένταση του φωτός αποτελούσε ανέκαθεν έναν από τους μεγαλύτερους και πιο δυσεπίλυτους γρίφους για τη βιομηχανία της αυτόνομης κίνησης. Η ικανότητα μιας μηχανής να αναγνωρίζει εμπόδια, πεζούς και σήμανση στον δρόμο υπόκειται σε σοβαρούς τεχνικούς περιορισμούς όταν βασίζεται αποκλειστικά σε συμβατικές κάμερες.
Η επιστημονική ομάδα του πανεπιστημίου Penn State σχεδίασε ένα πρωτοποριακό sensor, το οποίο υπόσχεται να αναβαθμίσει θεαματικά την αξιοπιστία που παρουσιάζουν οι κάμερες στα self driving cars και σε κάθε σύγχρονο robot. Η συγκεκριμένη επιστημονική μελέτη βασίζεται εξολοκλήρου στον τρόπο με τον οποίο το ανθρώπινο μάτι προσαρμόζει αυτόματα τη λειτουργία του καθώς μετακινείται από φωτεινά σε σκοτεινά περιβάλλοντα. Αυτή η εξέλιξη ανοίγει νέους ορίζοντες για την ασφάλεια στους δρόμους και την αποτελεσματικότητα των βιομηχανικών εφαρμογών, καθώς επιτρέπει στα συστήματα να λειτουργούν χωρίς τις καθυστερήσεις που προκαλεί η ψηφιακή επεξεργασία.
Το πρόβλημα της τεχνητής όρασης στα αυτόνομα συστήματα
Τα σημερινά συστήματα καμερών που ενσωματώνονται στα self driving cars είναι κατά κύριο λόγο ρυθμισμένα να αποδίδουν ικανοποιητικά σε συνθήκες σταθερού και ομοιόμορφου φωτισμού. Αυτή η τεχνική αδυναμία σημαίνει πρακτικά ότι η ακρίβεια της αναγνώρισης εικόνας μειώνεται δραματικά όταν οι εξωτερικές συνθήκες μεταβάλλονται με καταιγιστικούς ρυθμούς. Όταν, για παράδειγμα, ένα αυτοκίνητο βγαίνει από ένα σκοτεινό τούνελ στο λαμπερό φως της ημέρας ή όταν έρχεται απότομα αντιμέτωπο με τους δυνατούς προβολείς του αντίθετου ρεύματος μέσα στη νύχτα, η ικανότητα των συστημάτων να διαβάζουν το περιβάλλον υποβαθμίζεται προσωρινά.
Αυτό το στιγμιαίο «τύφλωμα» μπορεί να αποβεί μοιραίο για ένα όχημα ή για ένα robot που πρέπει να λάβει αποφάσεις σε κλάσματα του δευτερολέπτου. Για να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο, οι ερευνητές έστρεψαν την προσοχή τους στο πιο τέλειο και περίπλοκο οπτικό σύστημα που υπάρχει στη φύση: το ανθρώπινο μάτι. Συγκεκριμένα, αναλύθηκε διεξοδικά ο τρόπος με τον οποίο συνεργάζονται τα ραβδία και τα κωνία του αμφιβληστροειδού χιτώνα. Στην ανθρώπινη βιολογία, τα κύτταρα αυτά περιέχουν ειδικές χρωστικές ουσίες οι οποίες λευκαίνονται γρήγορα όταν εκτίθενται σε έντονο φως και αναγεννώνται σταδιακά όταν το περιβάλλον σκοτεινιάζει. Αυτή η φυσική διαδικασία επιτρέπει στο μάτι μας να επαναβαθμονομεί την ευαισθησία του σε πραγματικό χρόνο, διατηρώντας την όρασή μας καθαρή κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες. Αυτός ο νέος αισθητήρας έρχεται να γεφυρώσει αυτό το κενό, προσφέροντας στις μηχανές μια ανάλογη βιολογική ικανότητα προσαρμογής.
Η αρχιτεκτονική και η λειτουργία του photomemristor
Αντλώντας άμεση έμπνευση από αυτή τη βιολογική δυναμική, οι επιστήμονες κατάφεραν να την αναπαραγάγουν πλήρως μέσα σε ένα νέο ηλεκτρονικό εξάρτημα. Αυτός ο καινοτόμος αισθητήρας χρησιμοποιεί τη δομή ενός photomemristor, το οποίο αιχμαλωτίζει το φως και το μετατρέπει σε αξιοποιήσιμα ηλεκτρικά δεδομένα. Ο σχεδιασμός του βασίζεται στην έξυπνη χρήση δύο υλικών που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους: ενός αγώγιμου πολυμερούς σε μορφή γέλης και του οξειδίου του τιτανίου.
Όταν οι ακτίνες του φωτός χτυπούν την επιφάνεια του οξειδίου του τιτανίου, παράγεται άμεσα ένα ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο αναγκάζει το αγώγιμο πολυμερές να απορροφήσει ή να απελευθερώσει ποσότητες νερού, ανάλογα με τα επίπεδα φωτεινότητας. Αυτή η συμπεριφορά επιτρέπει στο σύστημα να αυτορρυθμίζει την ευαισθησία του την ίδια ακριβώς στιγμή που συμβαίνει η μεταβολή, προσφέροντας στα self driving cars την ικανότητα να επεξεργάζονται την πληροφορία με τη φυσικότητα ενός ζωντανού οργανισμού. Με αυτόν τον τρόπο, ο συγκεκριμένος αισθητήρας λειτουργεί ως ένα τεχνητό μάτι, προσαρμόζοντας την απόκρισή του χωρίς να απαιτείται εξωτερική ψηφιακή επεξεργασία ή πολύπλοκοι αλγόριθμοι διόρθωσης εικόνας, γεγονός που μειώνει κατακόρυφα την κατανάλωση ενέργειας και τον χρόνο καθυστέρησης του συστήματος, προσφέροντας μια αξιόπιστη λύση για τις ανάγκες της αγοράς.
Εντυπωσιακά αποτελέσματα και δοκιμές ακριβείας
Για να ελεγχθεί η πραγματική αξιοπιστία του σχεδιασμού σε συνθήκες που προσομοιάζουν τον πραγματικό κόσμο, κατασκευάστηκε μια πειραματική διάταξη σε μορφή πλέγματος 4×4. Αυτό το μικρό δίκτυο συνδέθηκε με ένα προηγμένο νευρωνικό δίκτυο, δημιουργώντας ένα βασικό σύστημα μηχανικής όρασης κατάλληλο για self driving cars και προηγμένες εφαρμογές στις οποίες ένα robot καλείται να αναγνωρίσει αντικείμενα.
Το σύστημα υποβλήθηκε σε μια παραλλαγή του τυπικού οφθαλμολογικού τεστ, όπου έπρεπε να αναγνωρίσει το γράμμα F που σχηματιζόταν από LED φωτισμό μπροστά από ένα φόντο με διαρκώς μεταβαλλόμενη φωτεινότητα. Τα αποτελέσματα ήταν εντυπωσιακά, καθώς μετά από μόλις επτά κύκλους εκπαίδευσης, ο αισθητήρας πέτυχε ποσοστό ακρίβειας που ξεπερνά το 95% υπό μικτές και αντίξοες συνθήκες. Κάθε μεμονωμένη μονάδα έχει διάμετρο μόλις μισό χιλιοστό, πράγμα που σημαίνει ότι μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν πολύ μεγαλύτερες διατάξεις, διευκολύνοντας την ανίχνευση σύνθετων οπτικών μοτίβων χωρίς να αυξάνεται ο φυσικός όγκος του εξοπλισμού. Αυτή η κλιμακωτή φύση της τεχνολογίας επιτρέπει την εύκολη ενσωμάτωσή της σε υπάρχοντα συστήματα καμερών.
Μελλοντικές εφαρμογές στη ρομποτική και την καθημερινότητα
Οι δυνητικές εφαρμογές αυτής της τεχνολογίας εκτείνονται πολύ πέρα από την αυτοκίνηση. Στον τομέα της βιομηχανικής αυτοματοποίησης, κάθε σύγχρονο robot που εργάζεται σε αποθήκες ή γραμμές παραγωγής με μεταβαλλόμενο φωτισμό θα μπορεί να εκτελεί τις εργασίες του με πρωτοφανή ακρίβεια, ελαχιστοποιώντας τα σφάλματα και βελτιώνοντας την παραγωγικότητα. Επιπλέον, αυτός ο αισθητήρας μπορεί να αποτελέσει τη βάση για τη δημιουργία υποστηρικτικών συσκευών για άτομα με σοβαρά προβλήματα όρασης, βελτιώνοντας σημαντικά την καθημερινότητά τους και προσφέροντας μεγαλύτερη ανεξαρτησία.
Το νέο πολυτελές gaming PC της Aston Martin και της Chillblast
Η επιστημονική ομάδα έχει ήδη καταθέσει αίτηση για την κατοχύρωση της σχετικής πατέντας, ενώ το επόμενο βήμα περιλαμβάνει την ενσωμάτωση του εξαρτήματος σε ένα πολυτροπικό σύστημα που θα επεξεργάζεται ταυτόχρονα οπτικά και απτικά δεδομένα. Αυτή η σπουδαία εξέλιξη πλαισιώνει ιδανικά άλλες πρόσφατες ανακαλύψεις, όπως οι συμπαγείς μονάδες ραντάρ, αποδεικνύοντας ότι τα self driving cars και η τεχνολογία των robot βρίσκονται πλέον στο κατώφλι μιας νέας, συναρπαστικής εποχής ωριμότητας, όπου το σκοτάδι δεν θα αποτελεί πλέον ανυπέρβλητο εμπόδιο για τις μηχανές. Η συνεχής έρευνα και η ανάπτυξη νέων υλικών αναμένεται να επιταχύνουν την εμπορική διάθεση αυτών των συστημάτων τα επόμενα χρόνια, αλλάζοντας ριζικά τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούμε με την αυτόνομη τεχνολογία στην καθημερινή μας ζωή.
