CurvACE - camera siêu nhỏ lấy ý tưởng từ cấu trúc mắt kép của côn trùng

 Một hiệp hội các nhà nghiên cứu tại châu Âu đã vừa phát triển một loại camera dạng cong gọi tắt là CurvACE dựa trên cấu trúc mắt kép của các loài côn trùng và động vật chân đốt. Theo nhóm nghiên cứu, thiết bị không chỉ mang lại cho những chú robot khả năng quan sát tương tự sâu bọ mà còn tạo ra một thế hệ cảm biến mới có thể khai thác trường quan sát rộng và sở hữu các đặc tính cảm nhận chuyển động của mắt kép. 

Hiệp hội nói trên bao gồm các nhà khoa học đến từ Trung tâm nghiên cứu khoa học quốc gia của Pháp ( CNRS ), đại học Aix-Marseille , đại học bách khoa liên bang Lausanne (Thụy Sĩ), viện Fraunhofer tại Jena và đại học Tüebingen (Đức). Mục tiêu mà các nhà nghiên cứu hướng đến là tạo ra một sự thay đổi về mô hình đối với thiết kế của camera. Hiện tại, hầu hết các camera đều dựa trên cấu trúc mắt đơn - điển hình như đôi mắt của con người hay một số loài động vật có xương sống và động vật thân mềm. Về cơ bản, nó là một chiếc hộp với ống kính ở một đầu và võng mạc ở đầu còn lại. Cấu trúc này khá đơn giản, sở hữu nhiều ưu điểm quang học nhưng không phải là cách duy nhất để tạo ra một thiết bị ảnh hóa. Một phương pháp thay thế khác được sử dụng nhiều trong tự nhiên là mắt kép - cặp mắt với rất nhiều mắt nhỏ được bố trí có quy tắc và dày đặc. Chẳng hạn như con chuồn chuồn , đôi mắt của nó chiếm hầu hết phần đầu và trong mỗi con mắt là một tập hợp các mắt nhỏ xíu. Sự khác biệt lớn giữa mắt đơn và mắc kép là mắt kép được chia thành nhiều phần và độ phân giải cũng thấp hơn nhiều. Nếu một con người sở hữu đôi mắt dạng mắt kép, mỗi con mắt sẽ phải có kích thước to bằng cả cái đầu nếu muốn có được độ phân giải tương đương đôi mắt thường. Tuy nhiên, mắt kép có thế mạnh riêng. Trở lại với ví dụ con chuồn chuồn, nếu thử bắt một con chuồn chuồn thì bạn sẽ sớm nhận ra công việc này không hề đơn giản. Cho dù bạn có rón rén đi tới từ phía sau thì nó cũng sẽ sớm bay đi trước khi bị bạn tóm cổ. Vì sao vậy? Mắt kép dù không mang lại độ phân giải hình ảnh cao nhưng bù lại nó có trường quan sát rất rộng. Tiết diện của mắt kép cũng mỏng hơn vì vậy nó có thể bao xung quanh phần đầu của con vật mà không ảnh hưởng đến kết cấu bên trong. Một ưu điểm nữa là mắt kép có khả năng nhận biết chuyển động rất tốt. Quy tắc nhận biết chuyển động của mắt kép rất phức tạp bởi chúng ta vẫn chưa hiểu rõ tầm nhìn của mắt kép. Thử lấy thêm 1 ví dụ nữa, chẳng hạn như con ruồi, nó có hàng nghìn con mắt siêu nhỏ nhưng liệu nó có thấy hàng nghìn ảnh siêu nhỏ cùng lúc hay là mỗi mắt thấy 1 phần của ảnh rồi ghép lại với nhau? Thật khó để phán đoán bởi chúng ta không biết được con ruồi nhìn thấy gì và theo cách nào. Tuy nhiên, nhiều khả năng những gì mắt kép thấy được là một hình ảnh đơn, mờ và phân giải thấp với các điểm ảnh vuông hiện rõ. Nghe có vẻ như là một hạn chế lớn nhưng những hình ảnh phân giải thấp như vậy lại làm nổi bật chuyển động. Kết hợp với quy trình xử lý thông tin nhanh trong bộ não đơn giản của ruồi khiến nó trở thành một "chuyên gia" quấy rầy rất khó chịu.  Tầm quan sát của CurvACE.  Trở lại với phát minh của nhóm nghiên cứu, CurvACE không phải là thiết bị đầu tiên khai thác cấu trúc của mắt kép nhưng nó hướng đến mục tiêu cạnh tranh sâu hơn khi được tích hợp bộ xử lý hình ảnh kỹ thuật số cực nhanh. CurvACE phỏng theo cấu trúc mắt kép tự nhiên với 3 lớp phẳng tách biệt có tổng độ dày chưa đến 1 mm khi được ghép lại. Các lớp này bao gồm một chuỗi ống kính siêu nhỏ (microlens), một chuỗi các bộ tách sóng quang và một bo mạch dẻo. Việc chế tạo thiết bị không hề đơn giản bởi nó đòi hỏi sự cân chỉnh chính xác giữa các thành phần cảm quang và quang học trên một bề mặt cong. Các chuỗi thành phần được xếp lên nhau, cắt gọt và uốn cong để tạo ra một bề mặt ảnh hóa có độ dẻo cơ học. Sau đó, nhóm nghiên cứu tích hợp một bộ xử lý tín hiệu dạng nhúng, tiêu thụ điện năng thấp và có thể lập trình. Không giống như camera thông thường, các linh kiện điện tử có thể được "nhúng" trực tiếp lên CurvACE bởi loại camera mắt kép này không cần đến khoảng trống giữa ống kính và bộ tách sóng quang. Theo nhóm nghiên cứu, kết quả cuối cùng là họ đã tạo ra một con robot tích hợp camera CurvACE có kích thước nhỏ hơn đồng xu với trường quan sát rộng hình bán cầu, không méo mó. Độ sâu trường ảnh gần như vô hạn, hình ảnh không mờ hay quang sai ngoài trục và phân giải hình ảnh rất giống với những gì một con ruồi nhìn thấy. Thêm vào đó, nếu so với não ruồi thì bộ xử lý ảnh của CurvACE nhanh hơn gấp 3 lần và có thể nhận dạng chuyển động trong mọi điều kiện ánh sáng. Nói về ứng dụng của CurvACE, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra nhiều lĩnh vực có thể khai thác, chẳng hạn như camera cảnh báo va chạm cho phương tiện mặt đất và trên không, hệ thống ước lượng khoảng cách và hỗ trợ hạ cánh. Với kích thước nhỏ gọn, CurvACE có thể được trang bị cho những con robot di động, phương tiện bay cỡ nhỏ, thiết bị tự động hóa trong nhà, các thiết bị giám sát, công cụ y khoa, quần áo thông minh và thậm chí dùng để thử nghiệm các giả thuyết về khả năng nhìn của côn trùng. Hiện tại có 4 loại CurvACE gồm hình trụ, chủ động, hình cầu và dạng băng. Nhóm nghiên cứu đã lên kế hoạch sử dụng chúng để cải tiến công nghệ và phát triển thêm các nguyên mẫu khác nhau cho các ứng dụng mới.   Nguồn: CurvACE ; PNAS