Una cámara que imita al ojo de los insectos

Dibujo20130506 insect-inspired visual sensor

Ver el mundo a través de los ojos de un insecto puede parecer poco útil, pues nuestros ojos son mucho más sofisticados. Sin embargo, una cámara digital que imite el ojo compuesto de un insecto, su visión panorámica del mundo y su gran profundidad de campo podría tener aplicaciones interesantes en robótica y medicina. Nuestros ojos se basan en una lente que en enfoca la luz en una matriz de fotorreceptores colocada en el plano focal de la lente, lo que permite una sensibilidad óptima a los fotones y una alta resolución espacial. Los ojos facetados o compuestos se componen de cientos o miles de unidades ópticas (facetas), cada una con su propia lente y conjunto de fotorreceptores. Su sensibilidad a la luz es baja (sólo aceptan fotones en ciertas direcciones) y su resolución también (está limitada por el número de facetas). John A. Rogers (Universidad de Illinois en Urbana-Champaign, EEUU) y sus colegas han fabricado una cámara digital elástica capaz de pasar de una geometría plana a una forma casi hemisférica (160 grados), gracias a un diseño que combina una matriz de 180 microlentes elásticas con una matriz de fotodetectores deformable. La clave es un diseño basado en dos capas alineadas de forma perfecta (para evitar aberraciones ópticas). Estos nuevos “ojos” son ideales para pequeños robots voladores, en los que las lentes de tipo ojo de pez son caras y pesadas. Nos lo cuentan Alexander Borst, Johannes Plett, “Optical devices: Seeing the world through an insect’s eyes,” Nature 497: 47-48, 02 May 2013. El artículo técnico es Young Min Song et al., “Digital cameras with designs inspired by the arthropod eye,” Nature 497: 95–99, 02 May 2013.

Dibujo20130506 schematic illustrations and images of components and integration schemes for new digital camera

La gran diferencie entre el nuevo diseño y los que ya se habían publicado en el pasado es la posibilidad de pasar de una geometría plana inicial a una geometría hemisférica por un procedimiento de hinchado (similar a inflar un globo) gracias al uso de electrónica estirable basada en elastómeros de poli(dimetilsiloxano), PDMS, que tiene un índice de refracción n≈1,43. Se ha construido una matriz de 16×16 = 256 microlentes convexas (cada microlente tiene un radio de curvatura de r≈400 μm) sobre un área cuadrada de 14,72 mm × 14,72 mm. Sólo se utilizan 180 microlentes de entre las 256 para evitar aberraciones ópticas, cada una con un soporte cilíndrico de altura h≈400 μm, conectada a una membrana elástica de espesor t≈550 μm. Ver la figura para los detalles geométricos. Bajo cada microlente se encuentra un fotodiodo de silicio con un área activa d² ≈ 160 μm × 160 μm. Todos los fotodiodos están interconectados por cables metálicos (Cr/Au) en forma de serpentina y configurados para un direccionamiento de tipo matricial.

Dibujo20130506 computational and experimental studies of the mechanics associated with assembly of hemispherical eye camera

La clave del nuevo diseño es que la cámara, una vez inflada, garantice que los sensores se encuentren en el centro de las microlentes para evitar aberraciones ópticas. La cámara hinchada en forma de hemisferio tiene un radio de curvatura de R ≈ 6,96 mm. El conjunto microlente más fotodiodos actúa como un omatidio de un insecto. El resultado es un ojo compuesto artificial similar a de las hormigas de fuego (Solenopsis fugaz) o al de los escarabajos de la corteza (Hylastes Nigrinus), insectos que poseen ojos con unos 180 omatidios.

Dibujo20130506 operating principles of hemispherical apposition compound eye camera and representative pictures

La nueva cámara tiene un campo de visión total de alrededor de 160° (recuerda que un hemisferio completo serían 180º). Para la reconstrucción de la imagen se utiliza un algoritmo de trazado de rayos. Cada microlente produce una pequeña imagen del objeto y el fotodiodo muestrea dicha imagen. En la naturaleza, los insectos mueven los ojos de forma rápida para mejorar la resolución efectiva. El mismo proceso se puede utilizar con la nueva cámara (si se monta en un sistema móvil). La superposición de las contribuciones de los omatidios vecinos permite mejorar el contraste de bordes y la resolución espacial de la imagen. Además, los algoritmos del software de adquisición de datos permiten que la cámara se adapte a diferentes niveles de luz. 

Lo más destacable de la nueva cámara es que su profundidad de campo es casi infinita, lo que permite el seguimiento de objetos lejanos en movimiento (u objetos fijos cuando la cámara es la que se mueve) y no sólo uno, sino varios objetos al mismo tiempo en el campo de visión colocados en diferentes posiciones angulares y a diferentes distancias. La cámara mantiene el enfoque de forma automática. En aplicaciones como la búsqueda de personas en catástrofes mediante pequeños robots voladores, estas propiedades ópticas las hacen ideales.

Por supuesto, el mayor inconveniente ahora mismo es que el número de omatidios es pequeño. En un futuro no muy lejano el número de fotodiodos por microlente podría incrementarse, así como el número de microlentes.

2 pensamientos en “Una cámara que imita al ojo de los insectos

  1. Si logran miniaturizarlas lo suficiente pueden ponerlas en los picorrobots mosca. Me pregunto hasta qué punto el ojo compuesto fue la única forma que tenían los artrópodos de tener una visión de muchos grados, o si pudo usarse otro modelo.

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