Роботы, беспилотники и автономные автомобили часто «теряются» при резкой смене освещения. Камера, идеально работающая в темноте тоннеля, может буквально ослепнуть при выезде на яркое солнце. Теперь исследователи представили биоинспирированную систему зрения, способную автоматически менять размер зрачка — почти так же, как это делает человеческий глаз.
Современные камеры обеспечивают высокое разрешение, но им не хватает гибкости живых организмов. В динамичной среде — например, при резком переходе из темноты в яркий свет — сенсоры не успевают адаптироваться.
Человеческий глаз решает это через зрачковый рефлекс: в темноте зрачок расширяется, на свету — сужается. Именно этот механизм инженеры решили воспроизвести искусственно.
Полусферическая «сетчатка» вместо плоского сенсора
Первым шагом стало создание изогнутого массива датчиков, повторяющего форму глазного яблока. В отличие от стандартных плоских сенсоров, эта полусферическая «сетчатка» обеспечивает сверхширокий угол обзора и уменьшает пространственные искажения.
Материал сенсоров чувствителен к широкому спектру длин волн — от ультрафиолета до инфракрасного диапазона. Это расширяет потенциальные сценарии применения, включая автономную навигацию и наблюдение в сложных условиях.
Жидкий металл вместо мышц
Чтобы воспроизвести передачу сигналов от глаза к мозгу, исследователи использовали жидкий металл EGaIn (эвтектический сплав галлия и индия), помещённый в микроканал с раствором, похожим на солёную воду.
Принцип работы следующий:
- Свет попадает на сенсоры и генерирует электрический ток.
- Ток перемещает жидкий металл.
- При контакте с электродом возникает электрический импульс.
- Этот «пик» передаётся к искусственному зрачку — отдельному модулю с жидким металлом — и заставляет его менять размер.
Чем ярче свет, тем чаще импульсы. В ответ металл растекается и перекрывает большую часть апертуры. В темноте частота импульсов падает, и «зрачок» расширяется.
Поскольку материал жидкий, он может формировать не только круглое отверстие, но и, например, вертикальную щель — как у кошек.
Результаты испытаний
В тестах система продемонстрировала заметное улучшение качества машинного зрения при пересвете.
- При фиксированном размере зрачка точность распознавания изображений в условиях избыточного освещения составляла 68,38%.
- При включённой адаптивной функции показатель вырос до 83,56%.
Это подтверждает, что динамическая апертура действительно помогает компенсировать экстремальные световые условия.
Почему это важно
Автономные автомобили, дроны и промышленные роботы работают в средах, где освещение постоянно меняется. Текущие алгоритмы экспозиции и цифровой обработки не всегда успевают реагировать достаточно быстро.
Механическая и электрическая адаптация «на уровне глаза» может существенно повысить надёжность таких систем — особенно в критических сценариях, например при резком выезде из тоннеля или при ослепляющем отражении солнца от мокрого асфальта.
Пока устройство — лишь концепт. Следующие шаги включают:
- миниатюризацию конструкции,
- интеграцию компонентов в более компактный модуль,
- разработку более сложных форм зрачка и механизмов адаптации.
Если технология будет доведена до серийного уровня, она может стать новым стандартом в робототехнике и автономных системах — приблизив машинное зрение к биологическому не только по качеству изображения, но и по адаптивности.
Работа опубликована в журнале Science Robotics.
