Tým čínských vědců vytvořil bionické oko inspirované složeným zrakem hmyzu. Kombinuje ultraširoké zorné pole, rychlou detekci pohybu a minimální spotřebu energie – ideální řešení pro roboty, drony a autonomní technologie, které chtějí „vidět“ efektivněji než kdy dřív.
Příroda experimentuje s vizuálními řešeními již stovky milionů let a někdy její návrhy vypadají jako něco ze science fiction. Například hmyz nevidí svět tak jako my. Jejich složené oči nabízejí panoramatické vnímání, velkou citlivost na pohyb a efektivní způsob zpracování vizuálních informací, aniž by k tomu potřebovaly obrovský mozek. Tato kombinace „vidět hodně“, „vidět rychle“ a „plýtvat málo“ je právě to, co se inženýři snaží již desítky let napodobit v umělých kamerách a senzorech.
Nyní tým vědců z Čínské akademie věd využil tuto tisíciletou inspiraci k vytvoření umělého bionického oka, které by mohlo změnit způsob, jakým roboti a stroje „vidí“ své okolí, a to díky schopnosti napodobit strukturu i funkčnost hmyzích očí a integrovat je do elektronických systémů, aby bylo dosaženo širokoúhlého vidění, které zároveň efektivně zpracovává informace. Průlomový objev byl publikován v časopise Nature Communications.
Zařízení není jen „další kamerou“: jedná se o zakřivený polokulovitý vizuální senzor s několika světlocitlivými jednotkami rozmístěnými podobně jako ommatidie hmyzu a doplněný obvody a algoritmy, které zpracovávají informace biologicky inspirovaným způsobem. Výsledkem je systém, který v jediném zařízení kombinuje tři neobvyklé složky: velmi široké zorné pole, rychlou detekci pohybu a extrémně nízkou spotřebu energie.
Proč jsou vědci fascinováni hmyzím zrakem
Proč jsou hmyzí oči tak důležité pro tento druh biomimetických studií? Lidské oči pracují s jedinou čočkou, která soustřeďuje světlo na vrstvu citlivých buněk (sítnici), které pak vysílají signály do mozku. Je to vynikající konstrukce pro detailní obraz, ale s relativně omezeným zorným polem a zpracováním vysoce závislým na velkém, energeticky náročném mozku.
Hmyzí oči jsou však velmi odlišné: skládají se ze stovek nebo tisíců jednotek zvaných ommatidie, z nichž každá má vlastní čočku a vlastní sadu fotoreceptorů. Každé ommatidium zachycuje malou část okolního prostředí a hmyzí mozek všechny tyto „biologické pixely“ integruje do užitečné reprezentace světa. Výsledkem není ostrý obraz jako u nás, ale panoramatický pohled, vysoce citlivý na pohyb a schopný zpracovávat rychlé změny prostředí. Tato konstrukce má několik klíčových výhod:
- Téměř obklopující zorné pole: mnoho much a vážek vidí prakticky vše, co se kolem nich děje, aniž by musely otáčet hlavou.
- Velmi rychlá detekce pohybu: jsou schopny vnímat změny v řádu milisekund, což jim umožňuje vyhnout se nárazům nebo zachytit kořist uprostřed letu.
- Distribuované zpracování: část „práce“ se zpracováním světla se provádí v každém ommatidiu, což snižuje zatížení mozku.
- Energetická účinnost: celý systém pracuje s minimální spotřebou energie, což je pro tak malá zvířata zásadní.
To je užitečné zejména pro malé tvory, kteří potřebují rychle reagovat na hrozby nebo kořist, aniž by měli obrovské mozky nebo složité systémy zpracování. Není náhodou, že mnoho druhů létajícího hmyzu, jako jsou vážky, má z hlediska rychlosti reakce jedny z nejdokonalejších zrakových systémů v živočišné říši.
Od biologie k inženýrství: Jak sestrojit bionické oko
Cílem autorů pod vedením Tigera H. Tao nebylo doslova okopírovat hmyzí oko, ale převzít jeho konstrukční principy a přizpůsobit je modernímu inženýrství. Za tímto účelem zkombinovali flexibilní materiály, mikrofabrikační techniky a algoritmy zpracování signálu inspirované způsobem, jakým hmyz integruje vizuální data. Zjednodušeně řečeno se systém skládá ze tří hlavních bloků:
- Polokulovitý povrch, který napodobuje zakřivení složeného oka, na němž jsou rozmístěny světelné senzory. Právě tato geometrie umožňuje panoramatické zorné pole.
- Soustava „pixelů“ neboli světlocitlivých jednotek, které fungují obdobně jako ommatidie: každá z nich je obrácena trochu jiným směrem a vnímá změny světla a pohybu ve své části prostoru.
- Elektronika a algoritmy zpracování, které integrují informace ze všech těchto jednotek a upřednostňují změny a pohyb, místo aby rekonstruovaly dokonalý obraz jako běžná kamera.
Jedním z klíčových prvků práce je způsob, jakým senzor kóduje vizuální informace. Namísto nepřetržitého zaznamenávání jasu každého bodu v zorném poli (jak to dělá tradiční kamera) se bionické oko zaměřuje na změny: kdy a kde se mění světlo. Tento přístup, známý jako vidění založené na událostech, je přímo inspirován způsobem fungování mnoha zrakových neuronů u hmyzu a obratlovců, které reagují především na změny, nikoli na statické podněty.
Takové senzory založené na událostech již byly zkoumány v jiných souvislostech, například neuromorfní kamery pro robotiku, ale práce Taova týmu jde ještě o krok dál tím, že kombinuje tuto filozofii s fyzickou architekturou podobnou složenému oku, čímž dosahuje velmi širokého zorného pole při mimořádně nízké spotřebě energie.
Široké zorné pole a energetická účinnost: Co přináší toto bionické oko
Výsledkem je vizuální senzor, který zachycuje obraz v širokém poli (jako panoramatický pohled) s velmi vysokou energetickou účinností, což je něco, čeho lze s běžnými kamerami a „lidskými“ senzory dosáhnout jen obtížně. Podle autorů dokáže zařízení pokrýt zorné pole v rozsahu více než 120-140 stupňů v jednom směru a v pokročilých konfiguracích potenciálně mnohem více, čímž se blíží vidění některých druhů hmyzu v blízkém okolí.
Stejně jako v případě lidského oka jsou kamery a vizuální senzory, které dnes používáme v robotech, telefonech nebo automobilech, často založeny na jediném skle a plochém senzoru. To znamená, že zachycují obraz podobný lidskému, ale s omezeným zorným polem. Pro zvětšení zorného pole jsou zapotřebí širokoúhlé objektivy, systémy více kamer nebo složité optické sestavy, což zvyšuje velikost, hmotnost a spotřebu energie.
Běžné kamery navíc generují obrovské množství dat: každý snímek je kompletní pole pixelů, ať už se něco pohnulo, nebo ne. Zpracování všech těchto informací vyžaduje velký výpočetní výkon, zejména pokud chcete detekovat objekty, rozpoznávat scény nebo reagovat v reálném čase. A výpočetní výkon se v elektronice téměř vždy promítá do spotřeby energie a tepla. Bionické oko inspirované hmyzem řeší tyto problémy několika způsoby:
- Méně nadbytečných dat: díky zaměření na změny a události se senzor vyhne odesílání informací, když se v oblasti zorného pole neděje nic důležitého.
- Zpracování blíže k senzoru: některé analýzy (např. detekce pohybu) se provádějí velmi blízko místa zachycení světla, což snižuje potřebu odesílat nezpracovaná data do centrálního procesoru.
- Optimalizovaná geometrie: polokulovitý tvar umožňuje pokrýt široké pole bez objemných čoček nebo mechanických systémů, které otáčejí kamerou.
Dohromady to znamená systém, který dokáže detekovat a reagovat na vizuální podněty velmi rychle a spotřebuje mnohem méně energie než běžná kamera s tradičním procesorem počítačového vidění.
Roboti, drony a vozidla, která „vidí“ jako hmyz
Podle Taova týmu by tento typ bionického oka mohl být integrován do mobilních robotů, dronů nebo autonomních vozidel, které potřebují „vidět“ své okolí rychle a s nízkou spotřebou energie, aniž by se musely spoléhat na rozměrná senzorová pole nebo výkonné procesory. Toto nové bionické oko tak může rozšířit zorné pole bez potřeby obřích čoček, efektivněji detekovat pohyb a snížit spotřebu energie. Mezi konkrétní aplikace, které výzkumníci a další skupiny v této oblasti již zkoumají, patří např:
- Malé bezpilotní letouny, které musí létat uvnitř budov, mezi překážkami nebo ve složitém prostředí (lesy, města), kde je schopnost rychle detekovat pohybující se objekty a vyhnout se jim klíčová, ale prostor a energie baterií jsou velmi omezené.
- Pozemní roboti, kteří hlídkují, kontrolují infrastrukturu nebo pracují ve skladech a potřebují 360stupňové vidění, aby se vyhnuli kolizím a mohli se autonomně pohybovat, aniž by se museli spoléhat na drahé senzory, jako je LiDAR.
- Autonomní vozidla a pokročilé asistenční systémy řidiče, kde by takový senzor mohl doplnit tradiční kamery a poskytnout „vrstvu“ rychlé detekce pohybu a hrozícího nebezpečí s nízkou spotřebou energie.
- Mikroroboti nebo hejna robotů, rovněž inspirovaná hmyzem, kteří vzájemně spolupracují a ke koordinaci a reakci na prostředí potřebují ultralehké a účinné senzory.
To otevírá dveře vizuálním systémům, které nejenže „vidí více“, ale zpracovávají to, co vidí, spíše jako příroda než digitální svět. Biologicky inspirované vizuální systémy by mohly výrazně zlepšit autonomii robotů a autonomních vozidel, zejména v situacích, kdy je zapotřebí rychlá reakce na vizuální podněty, jako je vyhýbání se překážkám v reálném čase nebo efektivní provoz na omezenou energii baterií, například u malých robotů nebo distribuovaných systémů.
Rozvíjející se oblast: Další bionické oči inspirované přírodou
Práce Taova týmu se přidává k širšímu trendu v oblasti vizuální biomimetiky. V posledních letech byly vyvinuty další umělé oči inspirované zvířaty, které se snaží překonat omezení tradičních plochých kamer.
Například v roce 2020 představila skupina z Hongkongské univerzity vědy a technologie sférické umělé oko se zakřivenou sítnicí z nanodrátků, inspirované lidským okem, které je schopné velmi efektivně zachycovat světlo a má potenciál pro využití v robotice a zrakové protetice.
Jiné týmy vytvořily kamery typu bug-eye využívající soustavy mikročoček na ohebných površích, které dosahují zorného pole až 180 stupňů s dobrým rozlišením a jsou určeny pro bezpilotní letouny, dohled nebo nositelná zařízení. Tato práce ukazuje, že neexistuje jediné „bionické oko“, ale rodina návrhů zkoumajících různá biologická řešení: složené oči hmyzu, oči kudlanky nábožné, oči hlavonožců atd.
Průlomový objev skupiny Čínské akademie věd vyniká tím, že integruje geometrii podobnou hmyzu, vidění řízené událostmi a energetickou účinnost do jediného zařízení, čímž se tyto koncepty přibližují praktickým aplikacím v autonomní robotice.
A co lidé?
A nyní otázka za milion: mohli bychom ji použít na lidech? Krátká odpověď: hmmmm. Toto „bionické oko“ není sítnicovou protézou, jako jsou ty, které se snaží nahradit poškozené buňky u lidí s makulární degenerací nebo retinitis pigmentosa. Jedná se především o senzor inspirovaný biologickou technikou pro robotiku, který má zlepšit vnímání strojů. Není určen k připojení k optickému nervu ani k interakci s lidským mozkem. Ale…
Teoreticky by některé principy mohly mít biomedicínské využití, například v umělých sítnicích s lepším zorným polem nebo v systémech, které efektivněji zpracovávají pohyb před odesláním signálů do mozku. Dnešní komerční a experimentální zrakové protézy (například ty, které jsou založeny na elektrodových polích implantovaných do sítnice nebo zrakové kůry) často nabízejí omezené zorné pole a nízké rozlišení. Začlenění myšlenek ze složených očí – jako je rozmístění senzorů na zakřiveném povrchu nebo upřednostňování změn – by mohlo pomoci navrhnout zařízení, která by poskytovala užitečnější vnímání prostředí, i když ne „dokonalý“ obraz.
Kromě toho má vidění založené na událostech další potenciální výhodu pro lékařské aplikace: generuje méně dat, a proto by mohlo zjednodušit rozhraní mezi senzorem a nervovým systémem, čímž by se snížilo množství informací, které je třeba přenášet a dekódovat. To je důležité, protože komunikační „šířka pásma“ mezi implantátem a mozkem je v současné době velmi omezená.
Závěrem: I když toto bionické oko není navrženo jako lidský implantát, je součástí širšího trendu: využití biologických principů ke zdokonalení umělých senzorů. To znamená, že v krátkodobém horizontu bude určeno prorobotiku, drony, autonomní vozidla, ale ve střednědobém až dlouhodobém horizontu by mohlo sloužit jakoinspirace prozrakové protézy nebo asistenční zařízení.
Výzvy do budoucna: Z laboratoře do reálného světa
Jak už to u nových technologií bývá, mezi laboratorním prototypem a komerčním výrobkem je dlouhá cesta. Tento typ bionického oka stále čelí několika výzvám:
- Škálovatelnost a vyrobitelnost: výroba těchto senzorů v masovém měřítku, s vysokou spolehlivostí a nízkými náklady není triviální. Zakřivené povrchy a mikrofabrikované struktury vyžadují specifické průmyslové postupy.
- Integrace se stávajícími systémy: aby robot nebo autonomní automobil mohl tento typ senzoru skutečně využít, je třeba přizpůsobit software, navigační algoritmy a v některých případech i samotnou konstrukci hardwaru.
- Odolnost a trvanlivost: senzory musí odolávat vibracím, změnám teploty, vlhkosti a dalším faktorům prostředí, aniž by ztratily přesnost.
- Interpretace dat: Vidění řízené událostmi generuje jiný typ informací než tradiční kamery. K jejich plnému využití jsou zapotřebí specifické algoritmy a nástroje.
Přesto je směr jasný: příští generace „očí“ pro stroje bude vypadat méně jako kamera a více jako biologický orgán optimalizovaný evolucí. A hmyz se svýma zdánlivě jednoduchýma, ale neuvěřitelně účinnýma složenýma očima bude i nadále hlavním zdrojem inspirace.
Biomimetika: Když příroda navrhuje pro nás
Toto bionické oko je dalším příkladem toho, jak biomimetika – obor, který studuje a přizpůsobuje řešení z přírody technologiím – mění inženýrství. Od křídel letadel inspirovaných ptáky přes lepidla napodobující nohy gekonů až po měkké roboty založené na chobotnicích– myšlenka je vždy stejná: místo vynalézání kola se podívat na to, co fungovalo během milionů let evoluce, a převést to do materiálů, obvodů a algoritmů.
Ve strojovém vidění se to projevuje v senzorech, které se nesnaží jen „vidět jako vylepšená kamera“, ale přebírají biologické strategie: upřednostňují pohyb, rozdělují zpracování, používají zakřivené geometrie, kombinují různé typy citlivosti (světlo, barva, polarizace)… Každý z těchto prvků se může zdát jako detail, ale dohromady mohou rozhodnout o rozdílu mezi neohrabaným robotem a robotem schopným hladkého pohybu ve složitém prostředí.
Poučení je jednoduché: když stroje začnou vidět jako hmyz, nezmění se jen stroje, ale i naše chápání vidění. To, co považujeme za „obraz“ – obdélník vyplněný pixely -, je pouze jeden z mnoha možných způsobů vnímání světa. Příroda již dlouho zkoumá alternativy a technika ji pomalu začíná dohánět.