Cámara bioinspirada en un camarón podría ayudar a los carros autónomos a ver mejor

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La nueva cámara imita la visión del camarón Mantis para mejorar significativamente el rango dinámico y agregar información de polarización.

Inspirados por el sistema visual del camarón mantis, uno de los más complejos encontrados en la naturaleza, los investigadores han creado un nuevo tipo de cámara que podría mejorar considerablemente la capacidad de los autos para detectar peligros en condiciones de imagen difíciles.

La nueva cámara logra esta hazaña al detectar una propiedad de la luz conocida como polarización y con un rango dinámico aproximadamente 10,000 veces más alto que las cámaras comerciales de hoy en día.

El rango dinámico es una medida de las áreas más brillantes y más oscuras que una cámara puede capturar simultáneamente.

Con estos, la cámara puede ver mejor en las condiciones de conducción, como la transición de un túnel oscuro a luz solar brillante o en condiciones de niebla o bruma.

Los investigadores indican que podría ser producida en serie por tan solo US$10 cada una.

La nueva cámara permitiría que los autos detecten peligros, otros autos y personas tres veces más lejos que las cámaras de color que se usan hoy en día en los autos.

“En un reciente accidente que involucró a un auto-auto, el auto no detectó un camión porque su color y su intensidad de luz se combinaron con los del cielo en el fondo”, dijo el líder del equipo de investigación Viktor Gruev de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, Estados Unidos.

“Nuestra cámara puede resolver este problema porque su alto rango dinámico hace que sea más fácil detectar objetos que son similares al fondo y la polarización de un camión es diferente a la del cielo”.

Además de las aplicaciones automotrices, los investigadores están explorando el uso de las cámaras para detectar células cancerosas, que muestran una polarización de la luz diferente a la del tejido normal, y para mejorar la exploración del océano.

“Estamos comenzando a llegar al límite de lo que pueden lograr los sensores de imágenes tradicionales”, dijo Missael García, primera autora del artículo.

“Nuestra nueva cámara de inspiración biológica muestra que la naturaleza tiene muchas soluciones interesantes que podemos aprovechar para diseñar sensores de próxima generación”.

El camarón mantis, un grupo que incluye cientos de especies en todo el mundo, tiene una respuesta logarítmica a la intensidad de la luz.

Esto hace que el camarón sea sensible a un alto rango de intensidades de luz, lo que les permite percibir elementos muy oscuros y muy brillantes dentro de una sola escena.

Para lograr un rango dinámico similarmente alto para su nueva cámara, los investigadores modificaron la forma en que los fotodiodos de la cámara convierten la luz en una corriente eléctrica.

En lugar de operar los fotodiodos en modo de polarización inversa, que tradicionalmente se utiliza para obtener imágenes, los investigadores utilizaron el modo de polarización directa.

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Para la sensibilidad a la polarización, los investigadores imitaron la forma en que el camarón mantis integra la detección de luz polarizada en sus fotorreceptores mediante el depósito de nanomateriales directamente sobre la superficie del chip de imagen que contenía los fotodiodos con polarización directa.

“Estos nanomateriales actúan esencialmente como filtros de polarización a nivel de pixel para detectar la polarización de la misma manera que el camarón Mantis ve la polarización”, dijo Gruev.

Aunque los procesos tradicionales de fabricación de sensores de imágenes se pueden usar para hacer los sensores, no están optimizados para hacer fotodiodos que operen en una polarización directa.

Para compensar, los investigadores desarrollaron pasos de procesamiento adicionales para limpiar las imágenes y mejorar la relación señal/ruido.

Después de probar la cámara en diferentes intensidades de luz, colores y condiciones de polarización en el laboratorio, los investigadores llevaron la cámara al campo para ver qué tan bien funcionaba en sombras y en condiciones de luz.

“Utilizamos la cámara en diferentes condiciones de iluminación de conducción, como túneles o condiciones de niebla”, dijo Tyler Davis, miembro del equipo de investigación.

“La cámara manejó estas difíciles condiciones de imagen sin ningún problema”.

Los investigadores ahora están trabajando con una compañía que fabrica bolsas de aire para ver si el alto rango dinámico de la cámara y la capacidad de imágenes de polarización se pueden usar para detectar mejor los objetos, ya sea para evitar una colisión o desplegar la bolsa de aire unos pocos milisegundos antes de lo que es posible actualmente. .

Los investigadores también recibieron fondos para usar el nuevo sistema de imágenes para hacer pequeñas cámaras tipo GoPro que podrían usarse para explorar el océano.

Si bien los sistemas de GPS como los de los teléfonos celulares no funcionan bajo el agua, la capacidad de detección de polarización de la nueva cámara le permite utilizar la polarización de la luz solar en el agua para calcular las coordenadas de ubicación.

Además, el alto rango dinámico de la cámara podría usarse para grabar imágenes de alta calidad bajo el agua.

“Estamos completando el círculo al llevar la cámara, que fue inspirada por el camarón mantis, a diferentes océanos tropicales para aprender más sobre cómo se comporta este camarón en su hábitat natural”, dijo Gruev.

“Viven en aguas poco profundas y se entierran bajo corales o en pequeñas madrigueras.

“Esto crea una situación de imagen desafiante de alto rango dinámico porque hay mucha luz en el agua pero condiciones tenues dentro de los agujeros”.

Fuente: The Optical Society of America