De eerste keer dat mensen serieus nadachten over 'machines' ogen' was niet in een laboratorium, maar in sciencefictionwerken.
Nu is een echt 'bionisch robotisch oog' van papier naar een echt prototype verhuisd: het gebruikt een lens van zachte materialen en licht zelf als 'energie', kan de minuscule haartjes op de poot van een mier op microscopische schaal zien, en het oplossend vermogen heeft de fysiologische limiet van het menselijk oog overschreden.
Dit is geen simpele 'camera-upgrade', maar een reconstructie van 'hoe machines de wereld zien' door de combinatie van optiek en materialen.
I. Wat is dit 'Robotisch Oog' precies?
Dit werk komt van een team van een top technische universiteit in de Verenigde Staten. Wat ze creëerden is geen omhulde 'elektronische oogbol', maar een gloednieuw zacht bionisch lenssysteem, afgekort als PHySL (photoresponsive hydrogel soft lens) in het Engels, wat letterlijk vertaald 'lichtgevoelige hydrogel zachte lens' betekent.
De basisstructuur kan als volgt worden opgesplitst:
● Midden: Een flexibele siliconen polymeerlens, gebruikt om basisbeeldvorming te voltooien;
● Buitenring: Een lichtgevoelige hydrogelring ingebed met grafeen/grafeenoxide, equivalent aan een cirkel van kunstmatige 'ciliaire spieren';
● Algemeen: Volledig zacht en buigbaar, zonder harde lenzen, motoren of schroeven.
De kern ligt in: het vertrouwt niet op motoren of externe energiebronnen, maar gebruikt licht om zichzelf te laten zoomen.
II. Hoe voltooit het scherpstellen met 'licht'?
Traditionele camera's of menselijke ogen vertrouwen op mechanische of biologische 'spieren' om scherp te stellen.
Deze bionische lens kiest een compleet andere weg: het gebruikt het fotothermische effect en volumeverandering van materialen om de lens 'zelf te laten bewegen'.
De logica is heel duidelijk:
1. De buitenste hydrogel is gedoteerd met grafeen - grafeen heeft een sterke lichtabsorptie en kan lichtenergie omzetten in thermische energie.
2. Wanneer er licht op schijnt, stijgt de lokale temperatuur - hydrogel is gevoelig voor temperatuur en ondergaat reversibele uitzetting of samentrekking bij verhitting.
3. De uitzetting/samentrekking van de hydrogel drukt de lens samen - dit staat gelijk aan een ring van 'lichtgestuurde spieren' die mechanische effecten uitoefent op de middelste siliconenlens.
4. De kromming van de lens verandert, en de brandpuntsafstand verandert dienovereenkomstig - naarmate de kromming verandert, verandert de manier waarop licht convergeert, en beweegt het brandpunt heen en weer om 'draadloos zoomen' te bereiken.
In een complexer systeem hebben onderzoekers deze zachte lens ingebed in een hydrogel microfluidisch netwerk, waarbij dezelfde lichtstraal werd gebruikt om zowel 'beeldvorming + vloeistofkanaalschakeling' tegelijkertijd te besturen, waardoor een prototype 'elektronen-vrije zachte camera' werd gecreëerd.
Dit betekent dat de camera in bepaalde scenario's af kan van elektriciteit en harde materialen en alleen kan worden voltooid met licht en zachte materialen.
III. Waarom is het 'Zicht Superieur aan het Menselijk Oog'?
Mediaberichten gebruikten een opvallende uitspraak: 'Wetenschappers hebben een robot-oog gecreëerd met beter zicht dan mensen'.
In de basis zijn er voornamelijk twee aspecten:
1. Oplossend vermogen overschrijdt de fysiologische limiet van het menselijk oog
Beperkt door de fysieke structuur van het menselijk oog en de rangschikking van het netvlies, ligt de resolutielimiet van het blote oog ruwweg in de orde van 100 micrometer. Om kleinere structuren te zien, zijn microscopen nodig.
In experimentele verificatie kan deze bionische zachte lens:
● Details oplossen in de orde van ongeveer 4 micrometer;
● De minuscule haartjes en microstructuren op de poot van een mier duidelijk in beeld brengen.
In de dimensies van 'resolutie' en 'close-range microscopische beeldvormingsmogelijkheid' heeft het de fysieke bovengrens van het menselijk blote oog overschreden.
2. Morfologie en integreerbaarheid verschillen van traditionele optiek
Vergeleken met harde glazen/plastic lenzen heeft deze zachte lens verschillende kenmerken:
● Volledig zacht en kan integraal worden gevormd met het lichaam van zachte robots;
● Geen behoefte aan motoren, draden of tandwielen, met een extreem eenvoudige structuur;
● Vertrouwt alleen op lichtaandrijving en heeft het potentieel van 'zelfvoorziening'.
In extreme omgevingen waar mensen niet geschikt zijn om binnen te komen en traditionele lenzen niet geschikt zijn om te plaatsen (hoge druk, smalle ruimtes, gebogen kanalen, levende organismen, enz.), zijn de integreerbaarheid en aanpasbaarheid van deze zachte lens moeilijk te bereiken voor het menselijk oog en traditionele lenzen.
Opgemerkt moet worden dat de algehele prestatie van het menselijk 'zicht' een uitgebreid resultaat is van 'ogen + hersenen'. Momenteel toont de bionische zachte lens alleen voordelen op het gebied van 'optische beeldvorming en scherpstelling', en heeft geen geavanceerde visuele cognitie vergelijkbaar met de menselijke hersenen.
IV. Waar kan het worden gebruikt: van zachte robots tot minimaal invasieve geneeskunde
Dit type bionisch robotisch oog is niet ontworpen om een extra regel 'parameters' toe te voegen aan mobiele telefoons, maar om een visuele basis te bieden voor een reeks nieuwe vormen.
Verschillende typische richtingen zijn te zien:
1. Zachte zoek- en reddingsrobots Zachte robots die door puin bewegen, moeten een zacht lichaam hebben en details duidelijk kunnen zien. Traditionele harde lenzen zijn moeilijk te volgen bij lichaamsvervorming, en dit type lens is van nature geschikt.
2. Landbouw- en industriële inspectie Het kan plantenbladeren, fruit, soldeerverbindingen en microstructuren benaderen voor close-range beeldvorming met hoge resolutie, wat helpt bij het identificeren van ziektevlekken, scheuren en defecten.
3. Minimaal invasieve chirurgie en endoscopische beeldvorming Zachte lenzen worden geïntegreerd aan de voorkant van flexibele katheters en flexibele endoscopen om weefselschade veroorzaakt door harde sondes te verminderen en automatische scherpstelling in smalle ruimtes te behouden.
4. Microscopische observatie van biologische monsters Het kan een deel van de microscoopobjectieven vervangen om goedkope, buigbare microscopische beeldvormingsmodules te maken voor snelle detectie ter plaatse.
5. Detectie in extreme omgevingen In diepzee-, hoge druk- en sterke impactomgevingen is de kans kleiner dat flexibele lenzen breken dan traditionele lenzen en zijn ze geschikter voor langdurige inzet.
Vanuit een industrieel logisch perspectief opent deze technologie een nieuw spoor van 'zachte visuele front-ends', in plaats van simpelweg 'het upgraden van high-definition camera's met één generatie'.
V. De combinatie van bionische robotische ogen en irisherkenning
Vervolgens richten we ons alleen op één ding: welke praktische betekenis heeft dit type bionisch robotisch oog voor irisherkenning.
1. Een betere 'front-end collector': het leveren van schonere beelden voor irisherkenning
De bovengrens van irisherkenning wordt grotendeels bepaald door de kwaliteit van de front-end beeldvorming:
● Of de textuur duidelijk genoeg is;
● Of reflectie, occlusie en onscherpte controleerbaar zijn;
● Of stabiele verzameling kan worden bereikt in een niet-coöperatieve staat.
Flexibele bionische lenzen zijn direct nuttig in drie aspecten:
(1) Close-range beeldvorming met hoge resolutie De iristextuur zelf is een microgestructureerd kenmerk. Het oplossend vermogen op microniveau breidt de kenmerkextractieruimte uit en vergroot het gecodeerde informatievolume, wat theoretisch de onderscheidbaarheid en anti-namaakmogelijkheid kan verbeteren.
(2) Flexibele scherpstelling en adaptieve houding Zachte lenzen kunnen dynamisch scherpstellen via lichtveldregeling en zorgen er nog steeds voor dat de iris zich op het brandvlak bevindt wanneer het onderwerp heen en weer beweegt of een onstabiele houding heeft. Dit betekent dat de vereisten voor de staande positie, de hoofdpositie en het samenwerkingsniveau kunnen worden verminderd, wat bevorderlijk is voor implementatie in kanalen, voetgangersstromingsscenario's en robotinteractiescenario's.
(3) Morfologische aanpasbaarheid Traditionele irismodules zijn 'een doos' met beperkte installatieposities. Flexibele bionische lenzen kunnen:
● Worden ingebed in deurkozijnen, muren en het 'gezicht' van robots;
● Worden geïntegreerd in de voorkant van draagbare apparaten (brillen, hoofdbanden);
● Gebogen structuren passen en in de omgeving opgaan.
Voor irisherkenning betekent dit dat verzamelpunten meer verborgen, natuurlijk en divers kunnen zijn.
2. Irisherkenning verplaatsen van 'vaste terminals' naar 'mobiele terminals' en 'flexibele terminals'
De meeste traditionele irisherkenningsapparaten zijn:
● Vaste draaihekken;
● Desktopapparaten voor balies/loketten;
● Bepaalde handheld terminals.
Met flexibele bionische lenzen kunnen nieuwe combinatievormen ontstaan:
(1) Zachte servicerobots De voorkant van de robot is een bionisch 'oog', dat navigatie en omgevingsperceptie uitvoert terwijl irisbeelden worden verzameld bij het naderen van gebruikers, waardoor kaartvrije en contactloze sterke identiteitsverificatie wordt bereikt.
(2) Patrouille-/rechtshandhavingsterminals Flexibele modules worden geïntegreerd in rechtshandhavingsbodycamera's, ID-badges, helmen en andere apparatuur om identiteitsverificatie met een hoger beveiligingsniveau te voltooien tijdens natuurlijke mens-mens interactie, in plaats van te vereisen dat de andere partij stopt en een vast apparaat nadert.
(3) Identiteitsbinding in medische scenario's Bionische lenzen worden geïntegreerd aan de voorkant van flexibele endoscopen, katheters en inspectieapparatuur voor irisopnamen tegelijkertijd, waarbij de unieke patiënt met irisidentiteit wordt vergrendeld tijdens het hele proces van chirurgie, inspectie en medicatietoediening, waardoor mismatches en medische geschillen worden verminderd.
In wezen veranderen bionische robotische ogen irisherkenning van 'een apparaat op een bepaald punt' in 'een mogelijkheid in het systeem', die kan worden ingebed in elke visuele front-end die sterke identiteitsverificatie vereist.
3. Verbetering van de herkenningsrobuustheid in complexe omgevingen
Irisherkenning stuit vaak op verschillende problemen bij de technische implementatie:
● Buitenverblinding en omgevingen met achtergrondverlichting;
● Brillen, reflectie en gedeeltelijke occlusie;
● Grote gebruikersbewegingen en houdingsveranderingen.
Flexibele bionische lenzen zijn ontworpen voor complexe vervorming en omgevingen, en hun materiaal- en structurele kenmerken kunnen worden gebruikt om:
● Vullicht en beeldvormingshoeken flexibeler te rangschikken om brilreflectie en hoornvlieshighlights te verminderen;
● Op bewegingsplatforms zoals robots, de impact van bewegingsonscherpte te bufferen door adaptieve zoom;
● Snel het optische pad aan te passen onder verschillende lichtomstandigheden door licht zelf aan te drijven om een relatief stabiele irisbeeldkwaliteit te verkrijgen.
Deze mogelijkheden zullen direct terugkeren naar:
● Herkenningssuccespercentage;
● Gebruikerservaring ('even stilstaan' in plaats van de houding heen en weer aan te passen);
● Bruikbaar omgevingsbereik (binnen, semi-buiten, mobiel).
Samenvatting
Bionische robotische ogen lossen het probleem van 'zien en duidelijk zien' op, terwijl irisherkenning het probleem van 'nauwkeurig herkennen en stevig binden' oplost.
Wanneer de twee worden gecombineerd, krijgt irisherkenning nieuwe front-end ingangen en bredere toepassingsscenario's.
