무선 조종이 가능한 가장 작은 카메라가 출시됐다. 딱정벌레 머리에 장착해 실시간으로 영상을 휴대폰으로 전송할 수 있다.
워싱턴 대학의 엔지니어들은 총 무게가 카드 무게의 1/10에 해당하는 250mg에 불과한 작고 효율적인 로봇 비전 시스템을 설계했습니다.
연구원들은 이를 살아있는 딱정벌레의 몸에 부착해 초당 1~5프레임의 속도로 실시간 영상을 스마트폰으로 전송할 수 있었다.
이 연구 결과는 사이언스 로보틱스(Science Robotics) 최신호에 게재됐다.
부교수 Shyam Gollakota는 Microsoft Scholarship과 National Science Foundation의 자금 지원을 받아 그의 팀을 이끌고 딱정벌레의 등에 설치할 수 있을 만큼 작은 비전 시스템을 설계했습니다. Bluetooth 장치를 통해 시간을 전송합니다. 딱정벌레의 1인칭 시점을 전송하며, 통신 범위는 축구장보다 약간 더 넓은 120m입니다.
오랫동안 복잡한 비전 시스템은 필연적으로 큰 크기와 높은 에너지 소비를 동반했습니다. 즉, 대형 로봇에만 비전 시스템이 장착되어 있었습니다. 마이크로 로봇의 경우 시각 장치를 설치할 수 없거나(크기가 너무 큼) 통신 및 전원 공급을 위해 긴 전선을 운반해야 합니다. 그렇지 않으면 배터리 수명이 걱정됩니다.
따라서 마이크로 로봇을 위한 저에너지 소모, 고내구성, 무선 비전 시스템을 어떻게 설계할 것인가는 로봇 공학 분야의 엔지니어들에게 주요 과제가 되었습니다.
이 문제를 해결하기 위해 골라코타와 그의 팀은 공학 분야를 떠나 생물학 분야에서 답을 찾았습니다. 엔지니어들은 다양한 생물학적 시각 시스템을 연구함으로써 흥미로운 현상을 발견했습니다.
저급종부터 고등종까지 유기체가 시각계에 제공하는 에너지는 다릅니다. 예를 들어, 플랑크톤은 낮은 수준이지만 장기적인 진화를 통해 연구자들이 로봇에서 달성하고자 하는 시각 시스템의 "고비용 성능"을 진정으로 달성했습니다.
'가성비 높은'에는 두 가지 특징이 있습니다. 가능하면 비용을 절약하고 최대한 활용하는 것입니다.
워싱턴 대학의 엔지니어들은 가장 진보한 생물인 인간의 눈과 시각 피질이 인체 전체 무게의 0.6%를 차지하는 반면, 파리와 같은 곤충의 경우는 이를 발견했습니다. , 이 비율은 2.5%-13%만큼 높습니다.
질량비가 높을수록 에너지 소비도 많아집니다.
파리 종의 검정파리를 예로 들면 전체 시각 시스템은 말할 것도 없고 망막만으로도 대사 에너지의 8%를 소비합니다.
이렇게 높은 에너지 소비는 자연적으로 용납될 수 없습니다. 따라서 오랜 진화 과정에서 곤충은 에너지를 절약하는 모든 방법을 "학습"했습니다.
첫 번째 단계는 망막의 작은 영역에서만 시각 기능을 발달시키는 것입니다. 이것은 마치 "우세한 힘을 집중하여 적을 공격하는 것"과 비슷합니다. 망막의 에너지 소비가 너무 높기 때문에 곤충은 망막의 시각 능력 범위를 감소시킵니다.
두 번째 비결은 고개를 더 돌리고 몸을 덜 움직이는 것입니다. 곤충이 다른 방향에서 그림 정보를 얻으려면 몸을 움직일 필요가 없습니다. 머리는 몸과 독립적으로 회전할 수 있습니다. 머리를 돌리는 것은 확실히 몸을 움직이는 것보다 에너지를 덜 사용합니다. 게다가 머리를 돌리지 않고도 눈을 돌릴 수 있습니다.
이번 조치는 엔지니어의 표현에 따르면 "시각적 정보의 고효율 수집"을 달성합니다.
골라코타 팀은 이러한 핵심 사항을 이해하고 이를 로봇 비전 시스템 설계에 적용하려고 노력했습니다.
그들의 계획은 먼저 설계된 장치를 살아있는 딱정벌레의 등에 고정하여 효과를 테스트한 다음, 딱정벌레를 딱정벌레 크기의 로봇으로 교체하고, 마지막으로 마이크로 로봇의 설계를 구현하는 것입니다. 비전 시스템.
골라코타 등이 설계한 머신 비전 시스템은 곤충 비전 시스템의 인공 버전이라고 할 수 있다.
해상도 측면에서 이 시스템에 사용된 이미지 센서는 곤충만큼 정확합니다. 해상도가 낮을수록 더 가볍고 전력도 더 많이 절약됩니다. 최종 디자인도 이를 반영한다. 전체 비주얼 시스템의 무게는 250mg으로 카드 무게의 1/10에 해당한다.
또한 엔지니어들은 온보드 드라이버에 의해 제어되고 60도 회전하고 왼쪽과 오른쪽으로 이동할 수 있는 회전 가능한 기계 장치에 카메라를 설치했습니다. 이것은 곤충의 머리 기능을 시뮬레이션하여 몸을 움직이지 않고도 더 넓은 시야 범위를 허용합니다. 팬 기능을 사용하면 카메라가 움직이는 물체를 캡처하고 파노라마 사진을 찍을 수도 있습니다.
마지막으로 엔지니어들은 비전 시스템에 특수 장치인 가속도계를 창의적으로 추가했습니다. 가속도계는 딱정벌레가 움직이는지 여부를 감지할 수 있습니다. 시각 시스템의 사격 기능은 딱정벌레가 움직일 때만 작동됩니다.
프로젝트에 참여한 해당 학교의 박사과정생인 비크람 아이어(Vikram Iyer)는 "카메라가 항상 작동한다면 전체 시각 시스템은 1~2시간만 지속될 수 있다. 가속도계를 사용하면 배터리 수명이 6시간으로 늘어납니다."
이 일련의 생체공학 설계를 통해 머신 비전 시스템의 에너지 소비는 기존 방식보다 24~86배 더 낮습니다.
최종 실험 결과는 만족스러웠습니다. 전체 장치가 충분히 가볍기 때문에 딱정벌레는 "장비"를 등에 지고 나무에 오를 수도 있습니다. 스마트폰으로 회전 가능한 카메라를 제어하여 파노라마 촬영이 가능합니다.
머신 비전 시스템은 딱정벌레에 성공했고, 팀은 비전 시스템을 갖춘 딱정벌레 크기의 마이크로 로봇을 설계하고 똑같이 좋은 실험 결과를 얻었습니다.
Gollakota는 기존 비전 시스템의 크기, 전력 및 무게를 크게 줄임으로써 카메라의 사용이 이전에는 불가능했던 새로운 영역으로 확장될 것이라고 믿습니다.
"시각은 통신과 탐색 모두에 매우 중요합니다. 곤충이 이동할 때 실시간 데이터를 캡처하고 전송하는 것은 농업 산업과 산업 사물 인터넷 발전에 매우 유익합니다."라고 Gollakota는 말했습니다.
동시에 프로젝트의 코드를 공개해 모든 연구자와 공유할 준비를 하고 있다.
향후에는 태양에너지를 이용해 달성할 수 있는 배터리의 한계를 완전히 없애는 '저에너지 소비'에 한 걸음 더 나아갈 계획이다.