Una cámara GoPro para insectos
En la película “El Hombre Hormiga” (Ant-Man), el personaje principal puede encoger su tamaño y viajar volando sobre el lomo de un insecto. Ahora los investigadores de la Universidad de Washington han desarrollado una pequeña cámara inalámbrica orientable que también puede viajar a bordo de un insecto, proporcionando a todo el mundo la oportunidad de ver la visión del mundo del Hombre Hormiga.
Investigadores de la Universidad de Washington han desarrollado una pequeña cámara que puede viajar a bordo de un insecto. Aquí un escarabajo Pinacate explora el campus de la UW con la cámara en su espalda. / Mark Stone/University of Washington
La cámara, que transmite video a un teléfono inteligente a una velocidad de 1 a 5 fotogramas por segundo, se apoya en un brazo mecánico que puede pivotar 60 grados. Esto permite al espectador obtener una toma panorámica de alta resolución o rastrear un objeto en movimiento mientras gasta una mínima cantidad de energía. Para demostrar la versatilidad de este sistema, que pesa alrededor de 250 miligramos, una décima parte del peso de una carta de naipes, el equipo lo montó sobre escarabajos vivos y sobre robots del tamaño de un insecto. Los resultados se publicaron en la revista Science Robotics.
“Hemos creado un sistema de cámara inalámbrica de bajo consumo y peso que puede capturar una vista en primera persona de lo que está sucediendo desde un insecto vivo real o crear visión para pequeños robots“, dijo el autor principal Shyam Gollakota, profesor asociado de la Universidad de Wisconsin en la Escuela de Ciencias Informáticas e Ingeniería Paul G. Allen. “La visión es muy importante para la comunicación y la navegación, pero es extremadamente desafiante hacerlo a tan pequeña escala. Como resultado, antes de nuestro trabajo, la visión inalámbrica no había sido posible para pequeños robots o insectos”.
Las típicas cámaras pequeñas, como las que se usan en los teléfonos inteligentes, usan mucha energía para capturar fotos de gran angular y alta resolución, y eso no funciona a la escala de los insectos. Aunque las cámaras en sí son ligeras, las baterías que necesitan hacen que el sistema en general sea demasiado grande y pesado para que los insectos – o los robots del tamaño de un insecto – puedan arrastrarlas. Así que el equipo se fijó en la biología.
“Al igual que las cámaras, la visión en los animales requiere mucha energía”, dijo el co-autor Sawyer Fuller, profesor asistente de ingeniería mecánica de la Universidad de Washington. “Es menos importante en criaturas más grandes como los humanos, pero las moscas usan entre el 10 y el 20% de su energía de reposo solo para alimentar sus cerebros, la mayor parte de la cual se dedica al procesamiento visual. Para ayudar a reducir el costo, algunas moscas tienen una pequeña región de alta resolución en sus ojos compuestos. Giran sus cabezas para dirigirse hacia donde quieren ver con mayor claridad, como para perseguir una presa o una pareja. Esto ahorra energía en comparación a tener alta resolución en todo su campo visual”.
Para imitar la visión de un animal, los investigadores utilizaron una diminuta cámara en blanco y negro de ultra baja potencia que puede barrer un campo de visión con la ayuda de un brazo mecánico. El brazo se mueve cuando el equipo aplica un voltaje alto, lo que hace que el material se doble y mueva la cámara a la posición deseada. A menos que el equipo aplique más energía, el brazo permanece en ese ángulo durante aproximadamente un minuto antes de relajarse de nuevo a su posición original. Esto es similar a como la gente puede mantener la cabeza girada en una dirección durante un corto período de tiempo antes de volver a una posición más neutral.
“Una ventaja de poder mover la cámara es que se puede obtener una visión de gran angular de lo que está sucediendo sin consumir una enorme cantidad de energía”, dijo el co-autor principal Vikram Iyer, estudiante de doctorado de la Universidad de Wisconsin en ingeniería eléctrica e informática. “Podemos rastrear un objeto en movimiento sin tener que gastar la energía para mover un robot entero. Estas imágenes también tienen una mayor resolución que si usáramos un lente gran angular, lo que crearía una imagen con el mismo número de píxeles divididos en un área mucho mayor”.
La cámara y el brazo se controlan por Bluetooth desde un smartphone a una distancia de hasta 120 metros, un poco más que un campo de fútbol.
Los investigadores unieron su sistema desmontable a la parte posterior de dos tipos diferentes de escarabajos. Se sabe que escarabajos similares son capaces de llevar cargas más pesadas que medio gramo, dijeron los investigadores.
“Nos aseguramos de que los escarabajos pudieran seguir moviéndose correctamente cuando llevaban nuestro sistema”, dijo el co-autor Ali Najafi, un estudiante de doctorado de la Universidad de Washington en ingeniería eléctrica e informática. “Fueron capaces de navegar libremente a través de la grava, subir una pendiente e incluso trepar a los árboles”.
Los escarabajos también vivieron por lo menos un año después de que el experimento terminara.
“Añadimos un pequeño acelerómetro a nuestro sistema para poder detectar cuando el escarabajo se mueve. Entonces solo captura imágenes durante ese tiempo”, dijo Iyer. “Si la cámara solo está transmitiendo continuamente sin este acelerómetro, podríamos grabar una o dos horas antes de que la batería se agotara. Con el acelerómetro, podríamos grabar durante seis horas o más, dependiendo del nivel de actividad del escarabajo”.
Los investigadores también usaron su sistema de cámaras para diseñar el robot terrestre más pequeño del mundo, autónomo y con visión inalámbrica. Este robot del tamaño de un insecto utiliza vibraciones para moverse y consume casi la misma energía que necesitan las radios Bluetooth de bajo consumo para funcionar.
Sin embargo, el equipo descubrió que las vibraciones sacudieron la cámara y produjeron imágenes distorsionadas. Los investigadores resolvieron este problema haciendo que el robot se detuviera momentáneamente, tomara una foto y luego reanudara su viaje. Con esta estrategia, el sistema aún era capaz de moverse unos 2 o 3 centímetros por segundo – más rápido que cualquier otro robot diminuto que usa vibraciones para moverse – y tenía una duración de la batería de unos 90 minutos.
Aunque el equipo está entusiasmado con el potencial de las cámaras móviles ligeras y de bajo consumo, los investigadores reconocen que esta tecnología conlleva un nuevo conjunto de riesgos para la privacidad.
“Como investigadores creemos firmemente que es realmente importante poner cosas en el dominio público para que la gente sea consciente de los riesgos y para que la gente pueda empezar a encontrar soluciones para afrontarlos”, dijo Gollakota.
Las aplicaciones podrían ir desde la biología hasta la exploración de nuevos entornos, dijeron los investigadores. El equipo espera que las futuras versiones de la cámara requieran aún menos energía y que estén libres de baterías, potencialmente alimentadas con energía solar.
“Esta es la primera vez que tenemos una vista en primera persona desde la parte trasera de un escarabajo mientras anda por ahí. Hay tantas preguntas que podrías explorar, como por ejemplo, ¿cómo responde el escarabajo a los diferentes estímulos que ve en el entorno?”, dijo Iyer. “Pero también, los insectos pueden atravesar ambientes rocosos, lo que es realmente un desafío para los robots a esta escala. Así que este sistema también nos puede ayudar al permitirnos ver o recoger muestras de espacios difíciles de navegar”.
Johannes James, un estudiante de doctorado en ingeniería mecánica de la Universidad de Washington, es también co-autor de este artículo. Esta investigación fue financiada por una beca de Microsoft y la Fundación Nacional de Ciencia.
