Ispirati dal sistema visivo del gambero di mantide, tra i più complessi trovati in natura, i ricercatori hanno creato un nuovo tipo di fotocamera che potrebbe migliorare notevolmente la capacità delle auto di individuare i pericoli in condizioni di imaging difficili.

La nuova fotocamera compie questa impresa rilevando una proprietà della luce nota come polarizzazione e presentando una gamma dinamica di circa 10, 000 volte superiore alle odierne fotocamere commerciali. La gamma dinamica è una misura delle aree più luminose e più scure che una fotocamera può catturare contemporaneamente. Con questi, la fotocamera può vedere meglio in condizioni di guida come il passaggio da un tunnel buio a una luce solare intensa o in condizioni di foschia o nebbia.

In ottica , La rivista della Optical Society per la ricerca ad alto impatto, i ricercatori descrivono la nuova fotocamera, che potrebbe essere prodotto in serie per un minimo di $ 10 ciascuno. I ricercatori affermano che la nuova telecamera consentirebbe alle auto di rilevare i pericoli, altre auto e persone tre volte più lontane rispetto alle telecamere a colori utilizzate oggi sulle auto.

"In un recente incidente che ha coinvolto un'auto a guida autonoma, l'auto non è riuscita a rilevare un semirimorchio perché il suo colore e l'intensità della luce si fondevano con quelli del cielo sullo sfondo, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Viktor Gruev dell'Università dell'Illinois a Urbana-Champaign, STATI UNITI D'AMERICA. "La nostra fotocamera può risolvere questo problema perché la sua elevata gamma dinamica rende più facile rilevare oggetti simili allo sfondo e la polarizzazione di un camion è diversa da quella del cielo".

Oltre alle applicazioni automobilistiche, i ricercatori stanno esplorando l'uso delle telecamere per rilevare le cellule cancerose, che mostrano una diversa polarizzazione della luce rispetto al tessuto normale, e per migliorare l'esplorazione degli oceani.

"Stiamo iniziando a raggiungere il limite di ciò che i sensori di imaging tradizionali possono realizzare, " disse Missael Garcia, primo autore del saggio. "La nostra nuova fotocamera bioispirata mostra che la natura ha molte soluzioni interessanti da cui possiamo trarre vantaggio per la progettazione di sensori di prossima generazione".

Imitando la visione dei gamberetti

Canocchia, un raggruppamento che comprende centinaia di specie in tutto il mondo, hanno una risposta logaritmica all'intensità della luce. Questo rende il gambero sensibile a un'elevata gamma di intensità luminose, permettendo loro di percepire elementi molto scuri e molto luminosi all'interno di una singola scena.

Per ottenere una gamma dinamica altrettanto elevata per la loro nuova fotocamera, i ricercatori hanno ottimizzato il modo in cui i fotodiodi della fotocamera convertono la luce in corrente elettrica. Invece di far funzionare i fotodiodi in modalità di polarizzazione inversa, che è tradizionalmente utilizzata per l'imaging, i ricercatori hanno utilizzato la modalità di polarizzazione diretta. Ciò ha cambiato l'uscita di corrente elettrica dall'essere linearmente proporzionale all'ingresso di luce ad avere una risposta logaritmica come il gambero.

Per la sensibilità di polarizzazione, i ricercatori hanno imitato il modo in cui il gambero di mantide integra il rilevamento della luce polarizzata nei suoi fotorecettori depositando nanomateriali direttamente sulla superficie del chip di imaging che conteneva i fotodiodi polarizzati in avanti. "Questi nanomateriali agiscono essenzialmente come filtri di polarizzazione a livello di pixel per rilevare la polarizzazione nello stesso modo in cui il gambero di mantide vede la polarizzazione, " disse Gruev.

Sebbene i tradizionali processi di fabbricazione dei sensori di imaging possano essere utilizzati per realizzare i sensori, non sono ottimizzati per realizzare fotodiodi che operano in polarizzazione diretta. Compensare, i ricercatori hanno sviluppato ulteriori passaggi di elaborazione per ripulire le immagini e migliorare il rapporto segnale/rumore.

Portare la fotocamera in viaggio

Dopo aver testato la fotocamera con diverse intensità di luce, colori e condizioni di polarizzazione in laboratorio, i ricercatori hanno portato la fotocamera sul campo per vedere come funzionava bene sia nelle ombre che in condizioni luminose. "Abbiamo utilizzato la fotocamera in diverse condizioni di illuminazione di guida come gallerie o condizioni di nebbia, " ha detto Tyler Davis, un membro del gruppo di ricerca. "La fotocamera ha gestito queste difficili condizioni di imaging senza problemi".

I ricercatori stanno ora lavorando con un'azienda che produce airbag per vedere se l'elevata gamma dinamica e la capacità di imaging di polarizzazione della nuova fotocamera possono essere utilizzate per rilevare meglio gli oggetti per evitare una collisione o per attivare l'airbag alcuni millisecondi prima di quanto sia attualmente possibile .

Esplorando l'oceano

I ricercatori hanno anche ricevuto finanziamenti per utilizzare il nuovo sistema di imaging per realizzare piccole fotocamere simili a GoPro che potrebbero essere utilizzate per esplorare l'oceano. Mentre i sistemi GPS come quelli dei telefoni cellulari non funzionano sott'acqua, la capacità di rilevamento della polarizzazione della nuova fotocamera consente di utilizzare la polarizzazione della luce solare nell'acqua per calcolare le coordinate della posizione. Inoltre, l'elevata gamma dinamica della fotocamera può essere utilizzata per registrare immagini di alta qualità sott'acqua.

"Stiamo chiudendo il cerchio prendendo la macchina fotografica, che è stato ispirato dal gambero di mantide, in diversi oceani tropicali per saperne di più su come si comporta questo gambero nel suo habitat naturale, " disse Gruev. "Vivono in acque poco profonde e si seppelliscono sotto i coralli o in piccole tane. Ciò crea una situazione di imaging ad alta gamma dinamica impegnativa perché c'è molta luce nell'acqua ma condizioni di scarsa illuminazione all'interno dei fori".