Беспилотные автомобили и продвинутые роботы уже используют камеры, алгоритмы и искусственный интеллект, чтобы ориентироваться в мире. Но даже самые современные «искусственные глаза» часто теряются в условиях смешанного освещения — когда яркие фары встречных машин соседствуют с тёмным ночным небом или когда машина резко выезжает из тени на солнце. Учёные из Пенсильванского университета (Penn State) предложили решение, которое копирует естественный механизм адаптации человеческого глаза и позволяет системам подстраиваться к свету за считанные секунды.
Традиционные фотомемристоры — крошечные устройства, которые чувствуют свет и превращают его в электрический ток — обычно калибруются под стабильные условия освещения. В смешанном свете их точность заметно падает.
Команда под руководством Ларри Чэнга (Larry Cheng), доцента инженерных наук и механики Penn State, создала новую конструкцию фотомемристора на основе двух материалов: растягивающегося гелеобразного пластика PEDOT:PSS и диоксида титана (TiO₂). TiO₂ захватывает свет из окружающей среды и генерирует фототок. Этот ток проходит через проводящую поверхность PEDOT:PSS и регулирует, сколько воды поглощает или отдаёт пластик.
В темноте материал активно впитывает влагу и набухает, повышая чувствительность. На ярком свету вода десорбируется, пластик высыхает — чувствительность автоматически снижается. Таким образом устройство само подстраивается под текущие условия освещения, имитируя работу палочек и колбочек в сетчатке человеческого глаза (пигменты в палочках «выцветают» на ярком свету и медленно восстанавливаются).
Каждый такой фотомемристор размером всего около 0,5 миллиметра — меньше толщины кредитной карты. Их можно соединять в массивы, не увеличивая габариты отдельного элемента.
Тесты: быстрее и точнее в смешанном свете
Сначала устройства проверили на разных интенсивностях ультрафиолетового света. Они давали стабильные и точные показания независимо от влажности окружающей среды.
Затем исследователи собрали примитивную зрительную систему: массив 4×4 фотомемристоров соединили с нейросетью. Перед ней разместили светодиоды в форме буквы «F» на фоне меняющегося по яркости LED-полотна. После всего семи итераций обучения система распознавала букву с точностью более 95% в условиях смешанного освещения.
При этом адаптация происходила за считанные секунды — в то время как человеческому глазу на полную перестройку к новым условиям освещения требуется 20–30 минут.
«Наши глаза лучше адаптируются к разным условиям освещения, но эта настройка может занимать 20–30 минут, — отметил Ларри Чэнг. — Эти фотомемристоры адаптируются к освещению гораздо быстрее, при этом сохраняя детальную информацию об окружающей среде».
Почему это важно для беспилотников и роботов
В реальной эксплуатации беспилотные автомобили постоянно сталкиваются со смешанным светом — тёмное небо и яркие фары встречных машин ночью, резкие переходы освещения. Традиционные системы часто теряют важные детали, например свечение красного светофора. Новый подход делает распознавание надёжнее, быстрее и энергоэффективнее.
В будущем технологию планируют развивать в сторону мультимодальных сенсорных систем, которые одновременно обрабатывают зрительную и тактильную информацию, существенно снижая энергопотребление. Возможные применения — помощь беспилотным автомобилям, коллаборативным заводским роботам, работающим в тёмных или быстро меняющихся условиях, а также в перспективе — искусственная оптика для людей с нарушениями зрения.
Это важный шаг к созданию «глаз», которые не просто фиксируют картинку, а по-настоящему адаптируются к окружающему миру так же гибко, как человеческие.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
