Lần đầu tiên con người nghiêm túc nghĩ đến "đôi mắt của máy móc" không phải trong phòng thí nghiệm, mà trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng.
Giờ đây, một "đôi mắt robot sinh học" thực sự đã chuyển từ các bài báo sang một nguyên mẫu thực tế: nó sử dụng một thấu kính làm bằng vật liệu mềm và ánh sáng làm "năng lượng", có thể nhìn thấy những sợi lông nhỏ trên chân kiến ở cấp độ hiển vi và khả năng phân giải của nó đã vượt quá giới hạn sinh lý của mắt người.
Đây không phải là một "nâng cấp camera" đơn giản, mà là một sự tái tạo "cách máy móc nhìn thế giới" thông qua sự kết hợp của quang học và vật liệu.
I. Chính xác thì "Đôi mắt Robot" này là gì?
Công trình này đến từ một nhóm tại một trường đại học kỹ thuật hàng đầu ở Hoa Kỳ. Những gì họ tạo ra không phải là một "nhãn cầu điện tử" có vỏ, mà là một hệ thống thấu kính sinh học mềm hoàn toàn mới, được viết tắt là PHySL (thấu kính mềm hydrogel đáp ứng ánh sáng) trong tiếng Anh, có nghĩa đen là "thấu kính mềm hydrogel đáp ứng ánh sáng".
Cấu trúc cơ bản của nó có thể được chia nhỏ như sau:
● Trung tâm: Một thấu kính polymer silicon dẻo, được sử dụng để hoàn thành việc tạo ảnh cơ bản;
● Vòng ngoài: Một vòng hydrogel đáp ứng ánh sáng được nhúng với graphene/graphene oxide, tương đương với một vòng "cơ mi" nhân tạo;
● Tổng thể: Hoàn toàn mềm và có thể uốn cong, không có thấu kính cứng, động cơ hoặc ốc vít.
Điểm cốt lõi nằm ở chỗ: nó không dựa vào bất kỳ động cơ hoặc nguồn điện bên ngoài nào, mà sử dụng ánh sáng để tự điều chỉnh tiêu cự.
II. Làm thế nào nó hoàn thành việc lấy nét bằng "Ánh sáng"?
Máy ảnh truyền thống hoặc mắt người dựa vào "cơ" cơ học hoặc sinh học để lấy nét.
Thấu kính sinh học này đi theo một con đường hoàn toàn khác: nó sử dụng hiệu ứng nhiệt quang và sự thay đổi thể tích của vật liệu để làm cho thấu kính "di chuyển" một mình.
Logic rất rõ ràng:
1. Hydrogel bên ngoài được pha tạp với graphene—graphene có khả năng hấp thụ ánh sáng mạnh và có thể chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng nhiệt.
2. Khi ánh sáng chiếu vào nó, nhiệt độ cục bộ tăng lên—hydrogel nhạy cảm với nhiệt độ và trải qua sự giãn nở hoặc co lại có thể đảo ngược khi được làm nóng.
3. Sự giãn nở/co lại của hydrogel ép thấu kính—điều này tương đương với một vòng "cơ được điều khiển bằng ánh sáng" tác dụng các hiệu ứng cơ học lên thấu kính silicon ở giữa.
4. Độ cong của thấu kính thay đổi và tiêu cự thay đổi tương ứng—khi độ cong thay đổi, cách ánh sáng hội tụ thay đổi và tiêu điểm di chuyển qua lại để đạt được "thu phóng không dây".
Trong một hệ thống phức tạp hơn, các nhà nghiên cứu đã nhúng thấu kính mềm này vào một mạng vi lỏng hydrogel, sử dụng cùng một chùm ánh sáng để điều khiển cả "tạo ảnh + chuyển đổi kênh chất lỏng" cùng một lúc, tạo ra một nguyên mẫu "camera mềm không điện tử".
Điều này có nghĩa là trong một số tình huống nhất định, camera có thể loại bỏ điện và vật liệu cứng và chỉ được hoàn thành bằng ánh sáng và vật liệu mềm.
III. Tại sao "Tầm nhìn của nó vượt trội hơn Mắt người"?
Các báo cáo truyền thông đã sử dụng một tuyên bố gây chú ý: "Các nhà khoa học đã tạo ra một con mắt robot có tầm nhìn tốt hơn con người".
Chia nhỏ nó ra, chủ yếu có hai khía cạnh:
1. Khả năng phân giải vượt quá giới hạn sinh lý của mắt người
Bị giới hạn bởi cấu trúc vật lý của mắt người và sự sắp xếp của võng mạc, giới hạn phân giải của mắt thường là khoảng 100 micromet. Để nhìn thấy các cấu trúc nhỏ hơn, cần có kính hiển vi.
Trong xác minh thực nghiệm, thấu kính mềm sinh học này có thể:
● Phân giải các chi tiết ở mức khoảng 4 micromet;
● Chụp ảnh rõ ràng các sợi lông nhỏ và vi cấu trúc trên chân kiến.
Trong các khía cạnh của "độ phân giải" và "khả năng chụp ảnh hiển vi cận cảnh", nó đã vượt quá giới hạn trên vật lý của mắt thường của con người.
2. Hình thái và khả năng tích hợp khác với quang học truyền thống
So với thấu kính thủy tinh/nhựa cứng, thấu kính mềm này có một số đặc điểm:
● Hoàn toàn mềm và có thể được tạo thành một thể thống nhất với thân của robot mềm;
● Không cần động cơ, dây hoặc bánh răng, với cấu trúc cực kỳ đơn giản;
● Chỉ dựa vào ánh sáng và có tiềm năng "tự cung cấp năng lượng".
Trong các môi trường khắc nghiệt mà con người không thích hợp để vào và thấu kính truyền thống không thích hợp để đặt (áp suất cao, không gian hẹp, kênh cong, sinh vật sống, v.v.), khả năng tích hợp và thích ứng của thấu kính mềm này rất khó để mắt người và thấu kính truyền thống đạt được.
Cần lưu ý rằng hiệu suất tổng thể của "thị giác" của con người là kết quả toàn diện của "mắt + não". Hiện tại, thấu kính mềm sinh học chỉ thể hiện những ưu điểm trong khía cạnh "tạo ảnh và lấy nét quang học" và không có nhận thức thị giác tiên tiến tương tự như bộ não con người.
IV. Nó có thể được sử dụng ở đâu: Từ Robot mềm đến Y học xâm lấn tối thiểu
Loại mắt robot sinh học này không được thiết kế để thêm một dòng "thông số" bổ sung vào điện thoại di động, mà là để cung cấp một nền tảng trực quan cho một loạt các hình thức mới.
Có thể thấy một số hướng điển hình:
1. Robot tìm kiếm và cứu hộ mềmRobot mềm di chuyển qua đống đổ nát cần có một thân mềm và có thể nhìn thấy các chi tiết rõ ràng. Thấu kính cứng truyền thống khó theo dõi sự biến dạng của cơ thể và loại thấu kính này tự nhiên phù hợp.
2. Kiểm tra nông nghiệp và công nghiệpNó có thể tiếp cận lá cây, trái cây, mối hàn và vi cấu trúc để chụp ảnh cận cảnh có độ phân giải cao, giúp xác định các đốm bệnh, vết nứt và khuyết tật.
3. Phẫu thuật xâm lấn tối thiểu và chụp ảnh nội soiThấu kính mềm được tích hợp ở đầu trước của ống thông mềm và ống nội soi mềm để giảm tổn thương mô do đầu dò cứng gây ra và duy trì khả năng lấy nét tự động trong không gian hẹp.
4. Quan sát hiển vi các mẫu sinh họcNó có thể thay thế một phần thấu kính vật kính của kính hiển vi để tạo ra các mô-đun chụp ảnh hiển vi có thể uốn cong, chi phí thấp để phát hiện nhanh tại chỗ.
5. Phát hiện môi trường khắc nghiệtTrong môi trường biển sâu, áp suất cao và tác động mạnh, thấu kính linh hoạt ít có khả năng bị vỡ hơn thấu kính truyền thống và phù hợp hơn để triển khai lâu dài.
Từ góc độ logic công nghiệp, công nghệ này mở ra một hướng đi mới của "mặt trước thị giác mềm", thay vì chỉ đơn giản là "nâng cấp camera độ nét cao thêm một thế hệ".
V. Sự kết hợp giữa Mắt robot sinh học và Nhận dạng mống mắt
Tiếp theo, chúng ta chỉ tập trung vào một điều: ý nghĩa thực tế của loại mắt robot sinh học này đối với việc nhận dạng mống mắt là gì.
1. Một "bộ thu trước" tốt hơn: cung cấp hình ảnh rõ ràng hơn để nhận dạng mống mắt
Giới hạn trên của việc nhận dạng mống mắt phần lớn được xác định bởi chất lượng của việc tạo ảnh trước:
● Kết cấu có đủ rõ ràng không;
● Phản xạ, che khuất và mất nét có thể kiểm soát được không;
● Liệu có thể đạt được việc thu thập ổn định trong trạng thái không hợp tác hay không.
Thấu kính sinh học linh hoạt trực tiếp hữu ích trong ba khía cạnh:
(1) Khả năng phân giải cao cận cảnhKết cấu mống mắt tự nó là một tính năng vi cấu trúc. Khả năng phân giải ở cấp micromet mở rộng không gian trích xuất tính năng và tăng thể tích thông tin được mã hóa, về mặt lý thuyết có thể cải thiện khả năng phân biệt và chống hàng giả.
(2) Lấy nét linh hoạt và tư thế thích ứngThấu kính mềm có thể lấy nét động thông qua điều khiển trường ánh sáng và vẫn đảm bảo rằng mống mắt nằm trên mặt phẳng tiêu cự khi đối tượng di chuyển qua lại hoặc có tư thế không ổn định. Điều này có nghĩa là các yêu cầu về vị trí đứng, vị trí đầu và mức độ hợp tác có thể được giảm bớt, điều này có lợi cho việc triển khai trong các kênh, tình huống lưu lượng người đi bộ và tình huống tương tác với robot.
(3) Khả năng thích ứng hình tháiCác mô-đun mống mắt truyền thống là "một hộp" với các vị trí lắp đặt hạn chế. Thấu kính sinh học linh hoạt có thể:
● Được nhúng trong khung cửa, tường và "khuôn mặt" của robot;
● Được tích hợp vào đầu trước của các thiết bị đeo được (kính, băng đô);
● Phù hợp với các cấu trúc cong và hòa nhập vào môi trường.
Đối với việc nhận dạng mống mắt, điều này có nghĩa là các điểm thu thập có thể ẩn hơn, tự nhiên hơn và đa dạng hơn.
2. Di chuyển nhận dạng mống mắt từ "thiết bị đầu cuối cố định" sang "thiết bị đầu cuối di động" và "thiết bị đầu cuối linh hoạt"
Hầu hết các thiết bị nhận dạng mống mắt truyền thống là:
● Cửa xoay cố định;
● Thiết bị để bàn trước quầy/cửa sổ;
● Một số thiết bị đầu cuối cầm tay.
Với thấu kính sinh học linh hoạt, các hình thức kết hợp mới có thể xuất hiện:
(1) Robot dịch vụ mềmĐầu trước của robot là một "con mắt" sinh học, thực hiện điều hướng và nhận thức môi trường trong khi thu thập hình ảnh mống mắt khi tiếp cận người dùng, đạt được xác thực danh tính mạnh mẽ không cần thẻ và không tiếp xúc.
(2) Thiết bị đầu cuối tuần tra/thực thi pháp luậtCác mô-đun linh hoạt được tích hợp vào camera đeo trên người thực thi pháp luật, huy hiệu ID, mũ bảo hiểm và các thiết bị khác để hoàn thành việc xác minh danh tính với mức độ bảo mật cao hơn trong quá trình tương tác tự nhiên giữa người với người, thay vì yêu cầu bên kia dừng lại và tiếp cận một thiết bị cố định.
(3) Ràng buộc danh tính trong các tình huống y tếThấu kính sinh học được tích hợp ở đầu trước của ống nội soi mềm, ống thông và thiết bị kiểm tra để chụp mống mắt cùng một lúc, khóa bệnh nhân duy nhất bằng danh tính mống mắt trong suốt quá trình phẫu thuật, kiểm tra và dùng thuốc, giảm thiểu sự không phù hợp và tranh chấp y tế.
Về bản chất, mắt robot sinh học biến việc nhận dạng mống mắt từ "một thiết bị tại một điểm nhất định" thành "một khả năng trong hệ thống", có thể được nhúng vào bất kỳ mặt trước trực quan nào yêu cầu xác thực danh tính mạnh mẽ.
3. Cải thiện độ mạnh của việc nhận dạng trong môi trường phức tạp
Việc nhận dạng mống mắt thường gặp một số vấn đề trong quá trình triển khai kỹ thuật:
● Môi trường chói và ngược sáng ngoài trời;
● Kính, phản xạ và che khuất một phần;
● Chuyển động và thay đổi tư thế của người dùng lớn.
Thấu kính sinh học linh hoạt được thiết kế cho các biến dạng và môi trường phức tạp và các đặc tính vật liệu và cấu trúc của chúng có thể được sử dụng để:
● Sắp xếp ánh sáng lấp đầy và góc chụp linh hoạt hơn để giảm phản xạ kính và điểm nổi bật giác mạc;
● Trên các nền tảng chuyển động như robot, đệm tác động của hiện tượng mờ chuyển động thông qua thu phóng thích ứng;
● Nhanh chóng điều chỉnh đường dẫn quang học trong các điều kiện ánh sáng khác nhau thông qua tự điều khiển ánh sáng để có được chất lượng tạo ảnh mống mắt tương đối ổn định.
Những khả năng này sẽ trực tiếp phản hồi đến:
● Tỷ lệ thành công nhận dạng;
● Trải nghiệm người dùng ("đi ngang qua đứng một lúc" thay vì điều chỉnh tư thế qua lại);
● Phạm vi môi trường có thể sử dụng (trong nhà, bán ngoài trời, di động).
Tóm tắt
Mắt robot sinh học giải quyết vấn đề "nhìn và nhìn rõ", trong khi nhận dạng mống mắt giải quyết vấn đề "nhận dạng chính xác và ràng buộc chặt chẽ".
Khi hai yếu tố này kết hợp, việc nhận dạng mống mắt sẽ có được các lối vào mặt trước mới và các tình huống ứng dụng rộng hơn.
