Аналоговые камеры значительно уступают по эффективности биологическим глазам. Если вы когда-либо держали в руках зеркальную камеру, особенно с зум-объективом, то знаете, насколько они тяжелы и как долго и сложно бывает настроить фокус.

Даже цифровые зеркальные камеры, несмотря на быструю работу, не способны менять фокус так же тонко и автоматически, как это делают наши глаза тысячи раз в час. Объективы камер жёсткие и громоздкие, и для фокусировки их приходится перемещать вперёд и назад, в отличие от глаз, которые мгновенно подстраиваются к разным расстояниям.

Природа наделила нас мягкими, компактными и эластичными глазами, которые могут моментально переключаться с фокуса на блестящую паутину перед нами на солнце на далёкий горизонт. Но если для людей это привычно, кто позаботится о зрении роботов?

Биомиметика для роботов: мягкая линза нового поколения

Чтобы улучшить зрение роботов, Кори Чжэн и Шу Цзя из Технологического института Джорджии разработали для них инновационное решение — фоточувствительную гидрогелевую мягкую линзу PHySL. В своей статье в Science Robotics они описывают эту разработку как «биоинспирированную фоточувствительную мягкую роботизированную линзу».

Вместо традиционных громоздких и хрупких линз с механическими приводами, PHySL использует мягкие гидрогелевые (на водной основе) полимеры, способные выполнять функции мышц. Такая линза адаптируется к необходимой фокусной длине, сжимаясь и растягиваясь, как человеческий глаз, а не выдвигаясь вперёд и назад. Вдохновением для конструкции послужили ресничные мышцы глаза человека.

PHySL не требует электронного сигнала для настройки — она реагирует непосредственно на свет. Это позволяет точно управлять фокусировкой, освещая разные участки линзы. Как отмечают авторы, «используя динамический гидрогелевый актуатор, который автономно использует оптическую энергию», PHySL обеспечивает «значительную настройку фокуса с помощью полностью оптического управления». Отказ от жёстких материалов делает линзу гибкой, долговечной и безопасной, особенно при контакте с живыми организмами.

Преимущества для мягких роботов и медицины

Если металлические роботы из Pixar и Star Wars прекрасно обходятся стеклянными и полимерными глазами, то новое поколение автономных машин — мягкие роботы — и ряд биомедицинских инструментов должны работать в природе или внутри живых организмов, не причиняя вреда.

Благодаря биомиметическому дизайну PHySL мягкие, маломощные и автономные, что делает их идеальными для хирургических эндоскопов и захватов, предназначенных для перемещения хрупких объектов. Гибкость мягких роботов позволяет им проникать в среды, недоступные или опасные для жёстких машин.

Такие особенности особенно важны для носимой электроники, например, кожеподобных сенсоров, и для внутренних устройств, таких как гидрогелевые имплантаты, поскольку они могут двигаться и растягиваться, не разрушая и не повреждая окружающие ткани.

Технологические вызовы и перспективы

Хотя мягкие умные материалы давно используются в захватах и приводах, интегрировать их с оптическими системами было сложно: традиционные мягкие линзы часто требовали камер, заполненных жидкостью, или актуаторов, которые не могли работать без электроники. Это увеличивало сложность, риск повреждения и требовало неудобного подключения. PHySL, активируемая светом, избавляется от необходимости в электронике и связанных с ней сложностей.

Вдохновившись достигнутым успехом, Чжэн и Цзя планируют совершенствовать PHySL, используя новые гидрогели, которые быстрее реагируют на свет и обеспечивают более мощные сокращения. Они также исследуют применение этих разработок в камерах. Уже создан прототип камеры без электроники, в которой PHySL интегрирована со специально разработанным светочувствительным микрофлюидным чипом — его планируют использовать в мягких роботах для зрения без электроники.

Если эта система заработает, мягкие потомки WALL-E и R2D2 смогут отправиться в подводные приключения или, в миниатюрном варианте, как в «Фантастическом путешествии», исследовать внутренний мир человеческого тела.