اولین باری که انسانها به طور جدی به «چشمهای ماشینی» فکر کردند، نه در آزمایشگاه، بلکه در آثار علمی-تخیلی بود.
اکنون، یک «چشم رباتیک بیونیک» واقعاً از مقالات به یک نمونه اولیه واقعی منتقل شده است: این چشم از یک لنز ساخته شده از مواد نرم و خود نور به عنوان «انرژی» استفاده میکند، میتواند موهای ریز روی پای مورچه را در مقیاس میکروسکوپی ببیند و قدرت تفکیک آن از حد فیزیولوژیکی چشم انسان فراتر رفته است.
این یک «ارتقاء دوربین» ساده نیست، بلکه بازسازی «چگونگی دیدن جهان توسط ماشینها» از طریق ترکیب اپتیک و مواد است.
I. این «چشم رباتیک» دقیقاً چیست؟
این کار از یک تیم در یک دانشگاه مهندسی برتر در ایالات متحده آمریکا انجام شده است. آنچه آنها ایجاد کردهاند، یک «کره چشم الکترونیکی» پوسته دار نیست، بلکه یک سیستم لنز بیونیک نرم و کاملاً جدید است که به اختصار PHySL (لنز نرم هیدروژل پاسخگو به نور) نامیده میشود که به معنای واقعی کلمه به «لنز نرم هیدروژل پاسخگو به نور» ترجمه میشود.
ساختار اساسی آن را میتوان به صورت زیر تجزیه کرد:
● مرکز: یک لنز پلیمری سیلیکونی انعطافپذیر که برای تکمیل تصویربرداری اساسی استفاده میشود؛
● حلقه بیرونی: یک حلقه هیدروژل پاسخگو به نور که با گرافن/اکسید گرافن تعبیه شده است، معادل یک دایره از «عضلات مژگانی» مصنوعی؛
● به طور کلی: کاملاً نرم و قابل خم شدن، بدون لنزهای سفت و سخت، موتور یا پیچ.
هسته اصلی در این است: این لنز به هیچ موتور یا منبع تغذیه خارجی متکی نیست، بلکه از نور برای زوم کردن خود استفاده میکند.
II. چگونه با «نور» فوکوس را کامل میکند؟
دوربینهای سنتی یا چشم انسان برای فوکوس به «عضلات» مکانیکی یا بیولوژیکی متکی هستند.
این لنز بیونیک مسیر کاملاً متفاوتی را در پیش میگیرد: این لنز از اثر فوتوترمال و تغییر حجم مواد برای «حرکت» خود لنز استفاده میکند.
منطق بسیار واضح است:
1. هیدروژل بیرونی با گرافن دوپ شده است - گرافن جذب نور قوی دارد و میتواند انرژی نور را به انرژی حرارتی تبدیل کند.
2. هنگامی که نور به آن میتابد، دمای محلی افزایش مییابد - هیدروژل به دما حساس است و هنگام گرم شدن، انبساط یا انقباض برگشتپذیر را تجربه میکند.
3. انبساط/انقباض هیدروژل، لنز را فشرده میکند - این معادل یک حلقه از «عضلات محرک نوری» است که اثرات مکانیکی را بر روی لنز سیلیکونی میانی اعمال میکند.
4. انحنای لنز تغییر میکند و طول کانونی بر این اساس تغییر میکند - با تغییر انحنا، نحوه همگرایی نور تغییر میکند و نقطه کانونی به جلو و عقب حرکت میکند تا به «زوم بیسیم» دست یابد.
در یک سیستم پیچیدهتر، محققان این لنز نرم را در یک شبکه میکروفلوئیدی هیدروژل تعبیه کردند و با استفاده از همان پرتو نور، هم «تصویربرداری + تعویض کانال سیال» را همزمان کنترل کردند و یک نمونه اولیه «دوربین نرم بدون الکترونیک» ایجاد کردند.
این بدان معناست که در سناریوهای خاص، دوربین میتواند از شر برق و مواد سخت خلاص شود و تنها با نور و مواد نرم تکمیل شود.
III. چرا «بینایی آن برتر از چشم انسان است»؟
گزارشهای رسانهای از یک عبارت چشمگیر استفاده کردند: «دانشمندان یک چشم ربات با دید بهتر از انسان ایجاد کردهاند».
با تجزیه آن، عمدتاً دو جنبه وجود دارد:
1. قدرت تفکیک از حد فیزیولوژیکی چشم انسان فراتر میرود
محدود شده توسط ساختار فیزیکی چشم انسان و آرایش شبکیه، حد تفکیک چشم غیرمسلح تقریباً در حدود 100 میکرومتر است. برای دیدن ساختارهای کوچکتر، به میکروسکوپ نیاز است.
در تأیید تجربی، این لنز نرم بیونیک میتواند:
● جزئیات را در حدود 4 میکرومتر حل کند؛
● به وضوح از موهای ریز و ریزساختارهای روی پای مورچه تصویربرداری کند.
در ابعاد «وضوح» و «قابلیت تصویربرداری میکروسکوپی نزدیکبرد»، از حد بالای فیزیکی چشم غیرمسلح انسان فراتر رفته است.
2. مورفولوژی و قابلیت یکپارچهسازی با اپتیک سنتی متفاوت است
در مقایسه با لنزهای شیشهای/پلاستیکی سفت و سخت، این لنز نرم دارای چندین ویژگی است:
● کاملاً نرم است و میتواند به طور یکپارچه با بدنه رباتهای نرم تشکیل شود؛
● نیازی به موتور، سیم یا چرخ دنده ندارد، با ساختاری بسیار ساده؛
● فقط به درایو نور متکی است و پتانسیل «تأمین انرژی خودکار» را دارد.
در محیطهای شدیدی که انسانها برای ورود مناسب نیستند و لنزهای سنتی برای قرار دادن مناسب نیستند (فشار بالا، فضاهای باریک، کانالهای منحنی، موجودات زنده و غیره)، قابلیت یکپارچهسازی و سازگاری این لنز نرم برای چشم انسان و لنزهای سنتی دشوار است.
لازم به ذکر است که عملکرد کلی «بینایی» انسان نتیجهای جامع از «چشم + مغز» است. در حال حاضر، لنز نرم بیونیک تنها مزایایی را در جنبه «تصویربرداری و فوکوس نوری» نشان میدهد و شناخت بصری پیشرفته مشابه مغز انسان ندارد.
IV. از کجا میتوان از آن استفاده کرد: از رباتهای نرم تا پزشکی کم تهاجمی
این نوع چشم رباتیک بیونیک برای افزودن یک خط اضافی از «پارامترها» به تلفنهای همراه طراحی نشده است، بلکه برای ارائه یک پایه بصری برای مجموعهای از فرمهای جدید طراحی شده است.
چند جهت معمولی را میتوان مشاهده کرد:
1. رباتهای نرم جستجو و نجات رباتهای نرم که از میان آوارها حرکت میکنند، باید بدنه نرم داشته باشند و بتوانند جزئیات را به وضوح ببینند. لنزهای سخت سنتی به سختی از تغییر شکل بدن پیروی میکنند و این نوع لنز به طور طبیعی مناسب است.
2. بازرسی کشاورزی و صنعتی میتواند به برگهای گیاهان، میوهها، اتصالات لحیمکاری و ریزساختارها برای تصویربرداری با وضوح بالا در محدوده نزدیک نزدیک شود و به شناسایی لکههای بیماری، ترکها و نقصها کمک کند.
3. جراحی کم تهاجمی و تصویربرداری آندوسکوپی لنزهای نرم در انتهای جلویی کاتترهای انعطافپذیر و آندوسکوپهای انعطافپذیر ادغام میشوند تا آسیب بافتی ناشی از پروبهای سفت و سخت را کاهش داده و فوکوس خودکار را در فضاهای باریک حفظ کنند.
4. مشاهده میکروسکوپی نمونههای بیولوژیکی میتواند جایگزین بخشی از لنزهای شیئی میکروسکوپ شود تا ماژولهای تصویربرداری میکروسکوپی کمهزینه و قابل خم شدن برای تشخیص سریع در محل ایجاد شود.
5. تشخیص محیطهای شدید در اعماق دریا، فشار بالا و محیطهای ضربهای قوی، لنزهای انعطافپذیر کمتر از لنزهای سنتی احتمال شکستن دارند و برای استقرار طولانیمدت مناسبتر هستند.
از منظر منطق صنعتی، این فناوری یک مسیر جدید از «جلوههای بصری نرم» را باز میکند، نه صرفاً «ارتقاء دوربینهای با وضوح بالا به یک نسل».
V. ترکیب چشمهای رباتیک بیونیک و تشخیص عنبیه
در مرحله بعد، ما فقط روی یک چیز تمرکز میکنیم: این نوع چشم رباتیک بیونیک چه اهمیت عملی برای تشخیص عنبیه دارد.
1. یک «جمعکننده جلویی» بهتر: ارائه تصاویر تمیزتر برای تشخیص عنبیه
حد بالایی تشخیص عنبیه تا حد زیادی با کیفیت تصویربرداری جلویی تعیین میشود:
● آیا بافت به اندازه کافی واضح است؛
● آیا بازتاب، انسداد و عدم فوکوس قابل کنترل است؛
● آیا جمعآوری پایدار را میتوان در حالت غیرهمکاری به دست آورد.
لنزهای بیونیک انعطافپذیر مستقیماً در سه جنبه مفید هستند:
(1) قابلیت وضوح بالا در محدوده نزدیک بافت عنبیه خود یک ویژگی ریزساختاری است. قدرت تفکیک در سطح میکرومتر، فضای استخراج ویژگی را گسترش میدهد و حجم اطلاعات رمزگذاری شده را افزایش میدهد که از نظر تئوری میتواند قابلیت تمایز و ضد جعل را بهبود بخشد.
(2) فوکوس انعطافپذیر و وضعیت تطبیقی لنزهای نرم میتوانند به صورت پویا از طریق کنترل میدان نور فوکوس کنند و همچنان اطمینان حاصل کنند که عنبیه در صفحه کانونی قرار دارد، زمانی که سوژه به جلو و عقب حرکت میکند یا وضعیت ناپایداری دارد. این بدان معناست که الزامات موقعیت ایستادن، موقعیت سر و سطح همکاری را میتوان کاهش داد که برای استقرار در کانالها، سناریوهای جریان عابر پیاده و سناریوهای تعامل ربات مفید است.
(3) سازگاری مورفولوژیکی ماژولهای عنبیه سنتی «یک جعبه» با موقعیتهای نصب محدود هستند. لنزهای بیونیک انعطافپذیر میتوانند:
● در قاب درها، دیوارها و «چهره» رباتها تعبیه شوند؛
● در انتهای جلویی دستگاههای پوشیدنی (عینک، هدبند) ادغام شوند؛
● ساختارهای منحنی را متناسب کرده و با محیط ترکیب شوند.
برای تشخیص عنبیه، این بدان معناست که نقاط جمعآوری میتوانند پنهانتر، طبیعیتر و متنوعتر باشند.
2. انتقال تشخیص عنبیه از «ترمینالهای ثابت» به «ترمینالهای موبایل» و «ترمینالهای انعطافپذیر»
اکثر دستگاههای تشخیص عنبیه سنتی عبارتند از:
● گیتهای گردان ثابت؛
● دستگاههای رومیزی در مقابل پیشخوانها/پنجرهها؛
● ترمینالهای دستی خاص.
با لنزهای بیونیک انعطافپذیر، فرمهای ترکیبی جدید میتوانند ظاهر شوند:
(1) رباتهای سرویس نرم انتهای جلویی ربات یک «چشم» بیونیک است که در حین نزدیک شدن به کاربران، ناوبری و درک محیط را انجام میدهد و در عین حال تصاویر عنبیه را جمعآوری میکند و احراز هویت قوی بدون کارت و بدون تماس را به دست میآورد.
(2) ترمینالهای گشت/اجرای قانون ماژولهای انعطافپذیر در دوربینهای بدنه مجری قانون، نشانهای شناسایی، کلاهها و سایر تجهیزات ادغام میشوند تا تأیید هویت را با سطح امنیتی بالاتر در طول تعامل طبیعی انسان با انسان تکمیل کنند، نه اینکه از طرف مقابل بخواهند که متوقف شود و به یک دستگاه ثابت نزدیک شود.
(3) اتصال هویت در سناریوهای پزشکی لنزهای بیونیک در انتهای جلویی آندوسکوپهای انعطافپذیر، کاتترها و تجهیزات بازرسی برای عکسبرداری از عنبیه در همان زمان ادغام میشوند و بیمار منحصربهفرد را با هویت عنبیه در طول کل فرآیند جراحی، بازرسی و تجویز دارو قفل میکنند و عدم تطابق و اختلافات پزشکی را کاهش میدهند.
اساساً، چشمهای رباتیک بیونیک، تشخیص عنبیه را از «یک دستگاه در یک نقطه خاص» به «یک قابلیت در سیستم» تبدیل میکنند که میتواند در هر جلوی بصری که نیاز به احراز هویت قوی دارد، تعبیه شود.
3. بهبود استحکام تشخیص در محیطهای پیچیده
تشخیص عنبیه اغلب در پیادهسازی مهندسی با چندین مشکل مواجه میشود:
● تابش خیره کننده در فضای باز و محیطهای نور پس زمینه؛
● عینک، بازتاب و انسداد جزئی؛
● حرکت زیاد کاربر و تغییرات وضعیت.
لنزهای بیونیک انعطافپذیر برای تغییر شکل و محیطهای پیچیده طراحی شدهاند و میتوان از ویژگیهای مواد و ساختاری آنها برای موارد زیر استفاده کرد:
● نور پرکننده و زوایای تصویربرداری را انعطافپذیرتر مرتب کنید تا بازتاب عینک و هایلایتهای قرنیه را کاهش دهید؛
● در پلتفرمهای حرکتی مانند رباتها، ضربه تاری حرکت را از طریق زوم تطبیقی بافر کنید؛
● مسیر نوری را تحت شرایط روشنایی مختلف از طریق درایو نور خود به سرعت تنظیم کنید تا کیفیت تصویربرداری عنبیه نسبتاً پایداری به دست آید.
این قابلیتها مستقیماً به موارد زیر بازخورد خواهند داشت:
● نرخ موفقیت تشخیص؛
● تجربه کاربری («عبور با ایستادن برای یک لحظه» به جای تنظیم وضعیت به جلو و عقب)؛
● محدوده محیط قابل استفاده (داخل ساختمان، نیمه باز، موبایل).
خلاصه
چشمهای رباتیک بیونیک مشکل «دیدن و دیدن واضح» را حل میکنند، در حالی که تشخیص عنبیه مشکل «تشخیص دقیق و اتصال محکم» را حل میکند.
هنگامی که این دو با هم ترکیب میشوند، تشخیص عنبیه ورودیهای جلویی جدید و سناریوهای کاربردی گستردهتری به دست میآورد.
