Oeil composé à vision ultra-large basée sur un réseau de nanofils hémisphériques pour la vision robotique

Dans le contexte du développement rapide de l’intelligence artificielle et de la robotique contemporaine, les systèmes de vision, en tant que composantes cruciales, ont attiré une attention et des recherches approfondies. Selon l’article de recherche publié par Zhou et al. dans Science Robotics le 15 mai 2024, ils ont proposé un système de vision artificielle innovant inspiré par les yeux composés biologiques. Ce système combine une structure alvéolaire imprimée en 3D et un réseau de nanofils pérovskites hémisphériques pour la détection photoélectrique, réalisant ainsi une vision ultra-large, une localisation précise des cibles et une fonction de suivi de mouvements. Cet article fournit une analyse exhaustive des fondements, méthodes, résultats et signification de cette recherche.

Contexte de la recherche

L’évolution biologique a doté la nature de divers systèmes visuels aux capacités visuelles remarquables. Par exemple, les yeux composés des insectes offrent un large champ de vision et une fonction de suivi des mouvements rapide qui leur confèrent un avantage significatif dans la nature. Ces capacités possèdent un potentiel énorme pour les systèmes robotiques. Cependant, les systèmes d’yeux composés artificiels actuels dépendent principalement des dispositifs électroniques déformables, qui sont limités par la complexité de la structure géométrique de déformation globale et le potentiel désaccord entre les unités optiques et les unités de détection.

Pour surmonter ces problèmes, Zhou et ses collègues ont développé un système d’œil composé à vision pinhole unique, combinant une structure optique alvéolaire imprimée en 3D et un réseau de nanofils pérovskites hémisphériques à haute densité pour la détection photoélectrique, afin de réaliser une conception de disposition flexible correspondant aux capteurs d’image sous-jacents.

Méthode de recherche

Conception et processus expérimental

1. Conception et fabrication du système d’œil composé Zhou et al. ont d’abord conçu et fabriqué une structure optique à réseau de puits à l’aide de la technologie d’impression 3D, structure qui est assemblée avec un capteur d’image hémisphérique à haute densité de nanofils de pérovskite. Le capteur d’image est constitué de nanofils de pérovskite cultivés à l’intérieur d’une membrane d’alumine poreuse (PAM) hémisphérique et de fils métalliques. La haute densité de disposition de ces composants photoélectriques et la transmission du signal lumineux ont été réalisées grâce à des techniques avancées de nano-microfabrication.

2. Simulation optique et test d’imagerie Dans cette étude, les caractéristiques et les fonctionnalités clés du système ont été vérifiées à l’aide de simulations optiques, y compris une vision ultra-large, une localisation précise des cibles et une fonction de suivi de mouvements. Sur le système d’œil composé pinhole intégré (PHCE), en utilisant les résultats des simulations optiques et d’imagerie, l’équipe de recherche a effectué avec succès des tâches de suivi des cibles en mouvement, démontrant davantage son potentiel pour la vision avancée en robotique.

Principaux résultats

1. Performances photoélectriques du réseau de nanofils de pérovskite haute densité L’étude a montré que le réseau de nanofils de pérovskite offrait d’excellentes performances photoélectriques dans le spectre visible à infrarouge proche, caractérisées par une haute sensibilité, une réponse rapide et une haute densité de courant photoélectrique. Ces avantages permettent au système d’œil composé de fonctionner de manière stable dans différentes conditions d’éclairage, tout en offrant une stabilité et une répétabilité à long terme exceptionnelles.

2. Imagerie panoramique grand angle En utilisant une combinaison de 121 unités d’œil composé, l’équipe de recherche a réalisé une imagerie à un angle de champ de vue de 140° et les résultats étaient en forte concordance avec les données de simulation.

3. Localisation des cibles et suivi des mouvements En utilisant un système soigneusement conçu de 37 unités d’œil composé, les chercheurs ont réalisé une vision ultra-large de 220° et une localisation précise des cibles en mouvement dans l’espace tridimensionnel. Ils ont réussi à simuler et à capturer la trajectoire tridimensionnelle d’une source lumineuse mobile et, lors d’un vol de drone, ont démontré en temps réel le suivi des mouvements d’un robot quadrupède au sol grâce au système d’œil composé à pinhole.

Signification de la recherche

Cette étude démontre que l’association d’un réseau de nanofils pérovskites hémisphériques et d’une structure pinhole imprimée en 3D peut efficacement surmonter les problèmes de distorsion d’imagerie et de correspondance des composants photoélectriques causés par la complexité structurelle des yeux composés artificiels traditionnels. Ce système possède une large gamme d’applications potentielles, particulièrement dans les domaines de la vision robotique, de la navigation des drones et de la collaboration multi-robots. Ses principales innovations sont les suivantes : - Conception et fabrication d’un système d’œil composé pinhole innovant réalisant une imagerie à vision ultra-large. - Utilisation d’un réseau de nanofils pérovskites à haute densité pour obtenir une sensibilité élevée et une réponse rapide, améliorant ainsi la capacité d’adaptation du système visuel dans des environnements dynamiques. - Démonstration réussie de la fonctionnalité de suivi des mouvements en temps réel basée sur une seule unité visuelle et des algorithmes intelligents.

À l’avenir, ce système peut être optimisé en augmentant la densité des unités, en optimisant la conception optique et en améliorant la vitesse d’imagerie, montrant ainsi une valeur pratique encore plus grande dans les domaines de l’optoélectronique et de la robotique.

Conclusion

L’étude de Zhou et ses collègues, inspirée par les yeux composés des insectes, conçoit et réalise un système d’œil composé pinhole artificiel avec un large champ de vue, une localisation précise des cibles et un suivi dynamique des mouvements. Ce système montre un vaste potentiel d’application dans le domaine de la vision robotique et son design innovant offre une solution nouvelle et efficace aux défis rencontrés par les systèmes d’yeux composés artificiels traditionnels.