Inspirándose en el sistema visual del camarón mantis, uno de los más complejos que se encuentran en la naturaleza, los investigadores han creado un nuevo tipo de cámara que podría mejorar en gran medida la capacidad de los automóviles 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 presenta un rango dinámico de aproximadamente 10, 000 veces más alto que las cámaras comerciales de hoy. 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 condiciones de conducción, como la transición de un túnel oscuro a la luz del sol brillante o en condiciones de niebla o niebla.

En Optica , La revista de la Optical Society para la investigación de alto impacto, los investigadores describen la nueva cámara, que podrían producirse en masa por tan solo $ 10 cada uno. Los investigadores dicen que la nueva cámara permitiría a los automóviles detectar peligros, otros coches y personas tres veces más lejos que las cámaras a color que se utilizan en los coches de hoy.

"En un accidente reciente que involucró a un automóvil autónomo, el automóvil no pudo detectar un semirremolque porque su color e intensidad de luz se mezclaron con el 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 facilita la detección de 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 cámaras para detectar células cancerosas, que exhiben una polarización de luz diferente a la del tejido normal, y mejorar la exploración de los océanos.

"Estamos comenzando a alcanzar el límite de lo que pueden lograr los sensores de imágenes tradicionales, "dijo Missael García, primer autor del artículo. "Nuestra nueva cámara bioinspirada muestra que la naturaleza tiene muchas soluciones interesantes que podemos aprovechar para diseñar sensores de próxima generación".

Imitando la visión del camarón

Camarón mantis, una agrupación que incluye cientos de especies en todo el mundo, tienen una respuesta logarítmica a la intensidad de la luz. Esto hace que los camarones sean sensibles a un alto rango de intensidades de luz, permitiéndoles percibir elementos muy oscuros y muy brillantes dentro de una sola escena.

Para lograr un rango dinámico igualmente 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 se utiliza tradicionalmente para la obtención de imágenes, los investigadores utilizaron el modo de polarización directa. Esto cambió la salida de corriente eléctrica de ser linealmente proporcional a la entrada de luz a tener una respuesta logarítmica como la del camarón.

Para la sensibilidad de polarización, los investigadores imitaron la forma en que el camarón mantis integra la detección de luz polarizada en sus fotorreceptores al depositar nanomateriales directamente en la superficie del chip de imágenes que contenía los fotodiodos polarizados hacia adelante. "Estos nanomateriales actúan esencialmente como filtros de polarización a nivel de píxel 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 utilizar para fabricar los sensores, no están optimizados para fabricar fotodiodos que operan con polarización directa. Para compensar, los investigadores desarrollaron pasos de procesamiento adicionales para limpiar las imágenes y mejorar la relación señal / ruido.

Llevando la cámara a la carretera

Después de probar la cámara con 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 las sombras y en condiciones de mucha luz. "Usamos 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 desafiantes condiciones de imagen sin ningún problema".

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

Explorando el océano

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 GPS, como los de los teléfonos móviles, 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 se puede utilizar para grabar imágenes de alta calidad bajo el agua.

"Estamos completando el círculo tomando la cámara, que se inspiró en 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 debajo de los corales o en pequeñas madrigueras. Esto crea una situación desafiante de imágenes de alto rango dinámico porque hay mucha luz en el agua pero condiciones de poca luz dentro de los orificios ".