Invento para ver como las mariposas mejora las capacidades de las cámaras

Las mariposas pueden ver más del mundo que los humanos, incluidos más colores y la dirección de oscilación del campo, o polarización, de la luz.

Esta capacidad especial les permite navegar con precisión, buscar comida y comunicarse entre sí.

Otras especies, como el camarón mantis, pueden percibir un espectro de luz aún más amplio, así como la polarización circular, o estados de giro, de las ondas de luz.

Utilizan esta capacidad para enviar señales de un “código de amor“, que les ayuda a encontrar parejas y ser descubiertas por ellas.

Inspirados por estas capacidades del reino animal, un equipo de investigadores de la Facultad de Ingeniería de Penn State ha desarrollado un elemento óptico ultrafino conocido como metasuperficie, que puede adherirse a una cámara convencional y codificar los datos espectrales y de polarización de las imágenes capturadas en una instantánea o un video a través de pequeñas nanoestructuras similares a antenas que adaptan las propiedades de la luz.

Un marco de aprendizaje automático, también desarrollado por el equipo, decodifica luego esta información visual multidimensional en tiempo real en una computadora portátil estándar.

“Como nos muestra el reino animal, los aspectos de la luz que no podemos ver con nuestros ojos contienen información que podemos utilizar en diversas aplicaciones“, dijo Xingjie Ni, profesor asociado de ingeniería eléctrica y autor principal del artículo.

“Para ello, transformamos de manera eficaz una cámara convencional en una cámara hiperespectropolarimétrica compacta y ligera integrando nuestra metasuperficie en ella“.

Las cámaras hiperespectrales y polarimétricas, que suelen ser voluminosas y caras de producir, capturan datos espectrales o de polarización, pero no ambos simultáneamente, explicó Ni.

Por el contrario, cuando se coloca entre la lente y los sensores de una cámara fotográfica, la metasuperficie de tres milímetros por tres milímetros, que es económica de fabricar, captura ambos tipos de datos de imágenes simultáneamente y transmite los datos inmediatamente a una computadora.

Las imágenes en bruto deben luego decodificarse para revelar la información espectral y de polarización.

Para lograrlo, Bofeng Liu, estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica y coautor del artículo, construyó un marco de aprendizaje automático entrenado con 1,8 millones de imágenes utilizando técnicas de aumento de datos.

“A 28 cuadros por segundo, limitado principalmente por la velocidad de la cámara que utilizamos, podemos recuperar rápidamente información espectral y de polarización utilizando nuestra red neuronal“, dijo Liu.

“Esto nos permite capturar y ver los datos de la imagen en tiempo real”.

Los investigadores probaron su metasuperficie y red neuronal grabando en video letras “PSU” transparentes bajo diferentes iluminaciones de rayos láser.

También capturaron imágenes del glorioso escarabajo, conocido por reflejar la luz polarizada circularmente visible para otros de su especie.

Tener acceso inmediato a la información hiperespectropolarimétrica de diferentes objetos podría beneficiar a los consumidores si la tecnología se comercializara, dijo Ni.

“Podríamos llevar nuestra cámara al supermercado, tomar instantáneas y evaluar la frescura de las frutas y verduras en los estantes antes de comprar”, dijo Ni.

“Esta cámara aumentada abre una ventana al mundo invisible”.

Además, en aplicaciones biomédicas, dijo Ni, la información hiperespectropolarimétrica podría utilizarse para diferenciar las propiedades materiales y estructurales de los tejidos dentro del cuerpo, lo que podría ayudar en el diagnóstico de células cancerosas.

Este trabajo se basa en la investigación y el desarrollo previos de Ni de otras metasuperficies, incluida una que imita la capacidad de procesamiento del ojo humano, y metalentes, incluida una capaz de obtener imágenes de objetos lejanos, incluida la luna.

Fuente: Science