Nors savaeigiai automobiliai ir sudėtingi robotai aplinkai suvokti naudoja pažangias kameras, kompiuterinius algoritmus ir dirbtinį intelektą, šioms dirbtinėms akims sunku būti patikimoms mišraus apšvietimo sąlygomis. Tyrėjų komanda, vadovaujama Pensilvanijos valstijos universiteto inžinierių, pasiūlė sprendimą, kuris imituoja žmogaus akies mechaniką, kad per kelias sekundes prisitaikytų nuo ryškios iki tamsios šviesos.
Sukurtas fotomemristorius yra gana mažas, vos pusės milimetro skersmens. Nepaisant savo dydžio, komponentas gali šviesos energiją paversti elektros srove, kuria maitintų pažangias optines sistemas. Nuotrauka: Jia Zhu
Jie tai padarė pakoreguodami vieno iš pagrindinių šiose optinėse sistemose naudojamų elektrinių komponentų konstrukcijos būdą, naudodami naują konstrukciją, kuri, priklausomai nuo esamo apšvietimo lygio, sugeria arba desorbuojasi su vandeniu. Šis metodas, išsamiai aprašytas žurnale „Nature Communications“ paskelbtame straipsnyje, nušviečia kelią kuriant sistemas, kurios galėtų apdoroti šviesos duomenis net greičiau nei žmonės.
Patobulinti komponentai yra žinomi kaip atminties rezistoriai arba „memristoriai“ – tai maži elektriniai įtaisai, galintys saugoti informaciją ar duomenis sistemoje, net jei pašalinamas originalus maitinimo šaltinis. Šie įtaisai imituoja sudėtingą neuronų duomenų apdorojimo ir saugojimo smegenyse būdą.
Fotomemristoriai yra memristorių tipas, galintis aptikti ir rinkti šviesos informaciją, o tada paversti ją elektros srove – procesu, kuris galėtų efektyviau maitinti pažangias kameras ir optines sistemas.
Viršutiniame paveikslėlyje pavaizduota eksperimentinė įranga, kurioje tyrėjai ryškiai apšvietė šviesos diodą „F“ ant šiek tiek tamsesnio, besikeičiančio LED fono. Apatiniame paveikslėlyje vizualizuota apšvietimo informacija, kurią neuroninis tinklas apdorojo eksperimento metu. Vos per kelias sekundes neuroninis tinklas prisitaiko prie mišraus apšvietimo sąlygų, kad tiksliai atskirtų pateiktą „F“. Nuotrauka: Jia Zhu
Pasak Larry Chengo, Jameso L. Hendersono jaunesniojo memorialinio inžinerijos mokslų ir mechanikos docento Pensilvanijos valstijoje ir straipsnio bendraautorio, tradiciniai fotomemristoriai yra kalibruojami ir optimizuojami pastovioms apšvietimo sąlygoms.
Nors tai leidžia sistemoms gerai veikti tiek šviesioje, tiek tamsioje aplinkoje, išlaikyti atpažinimo tikslumą kintančioje arba mišrioje šviesoje gali būti sudėtinga.
„Savaeigiai automobiliai veikiami įvairių apšvietimo lygių – įsivaizduokite tamsaus dangaus kontrastą su kitų automobilių ryškiais priekiniais žibintais, kai važiuojate naktį“, – aiškino Chengas.
„Esant tokioms mišrioms apšvietimo sąlygoms, dirbtinei optinei sistemai gali būti sunku atskirti detales, pavyzdžiui, raudonos šviesos švytėjimą.“
Kaip prietaisas imituoja regėjimą
Žmogaus akyje lazdelių ir kūgelių serija padeda pritaikyti regėjimą prie skirtingų apšvietimo sąlygų. Specifiniai lazdelių ląstelių pigmentai leidžia akiai atskirti detales net tamsoje. Tačiau ryškioje šviesoje šie lazdelių ląstelių pigmentai „išbluksta“ prieš lėtai regeneruodamiesi, o kūgelių ląstelės lieka, kad akis galėtų atskirti kontrastingas detales.
Komanda iškėlė teoriją, kad šis procesas, imituojamas fotomemristoriuje, galėtų pasiūlyti labiau prisitaikantį ir tikslesnį stebėjimą nei tradiciniai modeliai.
Norėdama tai pasiekti, komanda savo fotomemristorius daugiausia gamino iš dviejų skirtingų medžiagų: tampraus, gelio pavidalo plastiko, žinomo kaip PEDOT:PSS; ir titano oksido (TiO2) – balto, miltelių pavidalo junginio, gaunamo iš metalo titano.
Pasak Chengo, TiO2 gali užfiksuoti aplinkos šviesą ir paversti ją elektros srove, vadinama fotosrove. Tada ši įtampa praeina per laidų PEDOT:PSS paviršių ir reguliuoja, kiek vandens leidžiama sugerti į plastiką iš aplinkinės aplinkos.
Cheng teigė, kad medžiaga greitai sugeria vandenį tamsioje aplinkoje, o šviesiomis sąlygomis ji desorbuojasi, išdžiovindama PEDOT:PSS. Šis efektas leidžia įrenginiui pačiam reguliuoti jautrumą, remiantis iš aplinkos gauta šviesos informacija.
„Šis pagrindinis konstrukcijos skirtumas leidžia mums dinamiškai prisitaikyti prie kintančių apšvietimo sąlygų, palyginti su tradicinėmis sistemomis, kurios paprastai kuriamos vienam statiniam scenarijui“, – sakė Cheng.
„Imituodami akies veikimą, galime sukurti fotomemristorius, kurie veikia daug patikimiau, kai taikoma mišraus apšvietimo aplinkoje.“
Našumo bandymas mišriame apšvietime
Komanda pirmiausia išbandė savo įrenginius, juos paveikusi skirtingu ultravioletinių (UV) spindulių intensyvumu. Bandymai parodė, kad naujieji fotomemristoriai gali efektyviau ir tiksliau aptikti UV šviesos intensyvumą, tuo pačiu užtikrindami nuoseklius rodmenis, nepriklausomai nuo išorinės drėgmės.
Šis prietaisas yra nedidelis – kiekvieno fotomemristoriaus skersmuo yra tik apie 0,5 milimetro – šiek tiek mažesnis nei kreditinės kortelės storis.
„Iš principo juos galima padidinti ir sumažinti, kad atitiktų jų pritaikymą“, – sakė Chengas.
„Sujungdami atskirus fotomemristorius į matricą, galime geriau atpažinti didelius šviesos modelius aplinkoje nedidindami fotomemristoriaus dydžio, išlaikydami jį lankstų.“
Norėdama toliau įvertinti komponentus, komanda sukūrė eksperimentą, primenantį akių gydytojų atliekamą testą. 4 x 4 fotomemristorių matrica buvo integruota su neuroniniu tinklu – dirbtinio intelekto forma, kuri imituoja neuronų duomenų apdorojimo būdą, kad nustatytų modelius, siekiant sukurti elementarią regos sistemą, panašią į tas, kurios naudojamos automobiliuose ir robotuose.
Tada komanda priešais didesnį LED foną išdėstė LED lempučių seriją raidės „F“ formos, kurią galėjo reguliuoti pagal skirtingus ryškumo ir pritemdymo lygius. Pasak Chengo, taip yra todėl, kad „F“ yra panaši į „E“, naudojamą tradiciniuose akių tyrimuose, tačiau ją šiek tiek lengviau atskirti pagal kryptį. Sureguliavusi apšvietimą, komanda nurodė regos sistemai tiksliai atpažinti „F“ iš fono.
Po vos septynių mokymo iteracijų įrenginys kartu su neuroniniu tinklu galėjo atpažinti raidžių modelius daugiau nei 95 % tikslumu mišraus apšvietimo aplinkoje.
„Mūsų akys geriau prisitaiko prie skirtingų apšvietimo sąlygų, tačiau šis koregavimas gali užtrukti nuo 20 iki 30 minučių“, – sakė Chengas.
„Šie fotomemristoriai gali prisitaikyti prie apšvietimo sąlygų daug greičiau nei žmogaus akis, tuo pačiu metu užfiksuodami išsamią informaciją apie išorinę aplinką.“
Galimi panaudojimo būdai už laboratorijos ribų
Ateityje komanda planuoja toliau plėtoti fotomemristorius į didesnę, multimodalinę jutimo sistemą, galinčią vienu metu interpretuoti regimuosius ir lytėjimo duomenis iš aplinkos. Integravus kelias jutimo formas į vieną įrenginį, šių sistemų energijos suvartojimas galėtų būti gerokai sumažintas.
„Tolimoje ateityje galėtume pamatyti šią technologiją, skirtą padėti silpnaregiams matyti naudojant dirbtinę optiką“, – sakė Chengas, aiškindamas, kad kita galima taikymo sritis galėtų būti sistemos, įmontuotos į autonominius automobilius.
„Tai taip pat galėtų atlikti svarbų vaidmenį žmogaus ir roboto sąveikoje ir bendradarbiavime, leisdama tokioms sistemoms kaip gamykliniai robotai geriau veikti tamsioje ar greitai kintančioje aplinkoje.“
Pensilvanijos valstijos universitetas
Sukurtas mažiausias pasaulyje atomų dydžio atminties įrenginys
Nobelio premijos laureatų atradimai taikomi ir VU Lazerinių tyrimų centre
Naujas lustas leidžia robotams matyti 4D formatu, vienu metu stebint atstumą ir greitį