Ludzkie oko może naprawić samochody autonomiczne. Sekret tkwi w pręcikach i czopkach

„Jazda nocą jest sporym wyzwaniem nawet dla ludzi, a co dopiero dla robotów” — zauważają autorzy badania z Pennsylvania State University. Reflektory nadjeżdżających aut, latarnie i ciemne niebo w tle to mieszanka, z którą kamery i LiDAR wciąż sobie nie radzą. Rozwiązania szukano tam, gdzie natura dawno je znalazła: w ludzkim oku.

Problem, którego czujniki nie umieją obejść

→ Czytaj też: Nowe elektrody można wymalować na głowie. Czy badania mózgu przestaną być uciążliwe?

Współczesne pojazdy autonomiczne mają cały arsenał sensorów — kamery, LiDAR, radar. Wszystkie potykają się jednak o jedno: gwałtowne przejścia między jasnością a ciemnością. Wystarczy odblask z mokrej jezdni albo nagłe światła z naprzeciwka, by obraz stracił szczegóły.

Nasze oczy radzą sobie z tym tak sprawnie, że nawet tego nie dostrzegamy. W siatkówce pręciki odpowiadają za widzenie w słabym świetle, a czopki za kolory i detale w jasnym otoczeniu. Gdy jasność i ciemność występują naraz, barwniki w pręcikach na chwilę „blakną” i powoli się regenerują, podczas gdy czopki pracują dalej. To dlatego nie tracimy z oczu drogi, gdy mija nas samochód z włączonymi długimi światłami.

Memrystor, który pamięta światło

→ Czytaj też: Zamienili laser w mikser. Teraz metalowe drukarki 3D tworzą stopy, których nie dało się wyprodukować

Zespół pod kierunkiem prof. Larry’ego Chenga postanowił odtworzyć ten mechanizm za pomocą maleńkich czujników — fotomemrystorów. Nazwa łączy słowa „memory” (pamięć) i „resistor” (rezystor). Element o grubości poniżej milimetra działa jak neuron w mózgu: przetwarza informację o świetle i przechowuje ją nawet po zniknięciu sygnału.

Fotomemrystory są już używane w układach optycznych i zaawansowanych kamerach, ale projektowano je dla stałych warunków oświetlenia. Sprawdzają się równie dobrze w ciemności i w jasności — tyle że nie wtedy, gdy jedno i drugie pojawia się równocześnie. Właśnie ten problem postawili sobie naukowcy.

W ciemności tworzywo szybciej wchłania wodę. W jasności — oddaje ją i wysycha, samoczynnie regulując swoją czułość na światło.

Plastik, tytan i kropla wody

Czujnik zbudowano z rozciągliwego, żelowego przewodzącego tworzywa (PEDOT:PSS) oraz tlenku tytanu (TiO2). Tlenek tytanu wychwytuje światło z otoczenia i zamienia je w prąd elektryczny. Ten prąd przepływa przez warstwę plastiku i steruje tym, ile wody pochłania on z otoczenia.

Cały trik polega na gospodarce wodnej. W ciemności tworzywo nasiąka szybciej, w jasności — schnie. Dzięki temu układ sam dostosowuje wrażliwość na światło do panujących warunków, naśladując „blaknięcie” i regenerację pręcików.

Testy wypadły obiecująco. Nowe fotomemrystory wykrywały promieniowanie ultrafioletowe dokładniej i stabilniej niż klasyczne odpowiedniki. W próbach z podświetlanymi literami — podobnymi do tych z badania wzroku — system rozpoznawał kształty z ponad 95-procentową skutecznością w mieszanym oświetleniu.

Szybciej niż prawdziwe oko

Ludzkie oko potrzebuje od 20 do 30 minut, by w pełni przystosować się do skrajnych zmian światła. Według badaczy nowe czujniki mogłyby adaptować się znacznie szybciej, nie tracąc przy tym żadnych drobnych szczegółów.

Przed zespołem wciąż wiele pracy. Jeśli projekt się powiedzie, technologia może poprawić działanie aut autonomicznych, uczynić roboty bardziej elastycznymi, usprawnić zaawansowane kamery, a nawet posłużyć jako wspomaganie wzroku dla osób z jego zaburzeniami. Praca opisująca badanie ukazała się w czasopiśmie Nature Communications.