چشم مصنوعی جدید چگونه مشکل بینایی خودروهای خودران را حل می‌کند؟

خودروهای خودران و ربات‌های مجهز به هوش مصنوعی برای درک محیط اطراف خود به دوربین‌ها و حسگرهای پیشرفته وابسته هستند. با این حال، یکی از مهم‌ترین چالش‌های این سیستم‌ها، عملکرد ضعیف در شرایط نوری متغیر است. برای مثال هنگام رانندگی در شب، ترکیب نور شدید چراغ خودروها با تاریکی محیط می‌تواند باعث ایجاد اختلال در پردازش تصاویر و کاهش دقت تشخیص شود.

اکنون پژوهشگران دانشگاه Penn State با توسعه یک چشم مصنوعی جدید توانسته‌اند راهکاری ارائه دهند که از نحوه عملکرد چشم انسان الهام گرفته شده است. این فناوری می‌تواند به سرعت خود را با تغییرات شدید نور تطبیق دهد و دیدی پایدار و قابل اعتماد در اختیار سیستم‌های هوشمند قرار دهد.

چرا خودروهای خودران در نورهای متغیر دچار مشکل می‌شوند؟

اگرچه خودروهای خودران از دوربین‌های پیشرفته، حسگرهای متعدد و الگوریتم‌های هوش مصنوعی بهره می‌برند، اما همچنان در شرایطی که اختلاف نور بسیار زیاد باشد آسیب‌پذیر هستند.

رانندگی در شب همراه با نور شدید چراغ خودروهای مقابل، خروج از تونل‌های تاریک به محیط‌های روشن، شرایط آب‌وهوایی مانند باران، مه و رعدوبرق و همچنین بازتاب نور خورشید از سطوح مختلف، همگی می‌توانند باعث ایجاد اختلال در سیستم بینایی خودرو شوند.

در چنین شرایطی، حسگرهای تصویری ممکن است بخشی از اطلاعات محیط را از دست بدهند و تصمیم‌گیری سیستم با خطا مواجه شود؛ موضوعی که می‌تواند ایمنی خودروهای خودران را تحت تأثیر قرار دهد.

الهام از پیچیده‌ترین سیستم بینایی طبیعت

چشم انسان یکی از پیشرفته‌ترین سیستم‌های بینایی در طبیعت محسوب می‌شود. زمانی که وارد محیط تاریک می‌شویم، سلول‌های حساس به نور در شبکیه به تدریج فعال شده و دید ما را بهبود می‌بخشند. در مقابل، هنگام قرار گرفتن در نور شدید، ساختار چشم به گونه‌ای عمل می‌کند که از اشباع شدن گیرنده‌های نوری جلوگیری شود.

پژوهشگران تلاش کردند همین سازوکار هوشمند را در یک سیستم الکترونیکی بازسازی کنند. نتیجه این تلاش، توسعه نسل جدیدی از حسگرهای هوشمند موسوم به فتوممریستور بود.

فتوممریستور چیست؟

فتوممریستور (Photomemristor) نوعی قطعه الکترونیکی پیشرفته است که می‌تواند به‌طور هم‌زمان نور را دریافت، پردازش و ذخیره کند.

برخلاف دوربین‌های سنتی که تصاویر را ثبت کرده و سپس برای پردازش به واحدهای محاسباتی جداگانه ارسال می‌کنند، این فناوری بخشی از پردازش اطلاعات را مستقیماً در داخل حسگر انجام می‌دهد.

این ویژگی باعث افزایش سرعت پردازش، کاهش مصرف انرژی، کاهش حجم داده‌های منتقل‌شده و واکنش سریع‌تر به تغییرات محیطی می‌شود. در واقع عملکرد این فناوری شباهت زیادی به نورون‌های مغز و سلول‌های شبکیه چشم انسان دارد.

ترکیب مواد هوشمند برای ساخت چشم مصنوعی

برای توسعه این فناوری، دانشمندان از ترکیب دو ماده مهم استفاده کردند.

ماده نخست اکسید تیتانیوم (Titanium Oxide) است که وظیفه جذب نور و تبدیل آن به سیگنال‌های الکتریکی را بر عهده دارد.

ماده دوم پلیمر انعطاف‌پذیر PEDOT است که نسبت به شرایط محیطی و رطوبت واکنش نشان می‌دهد.

هنگامی که نور محیط تغییر می‌کند، این مواد به صورت خودکار ساختار خود را تنظیم می‌کنند. در محیط‌های تاریک، پلیمر متورم شده و حساسیت حسگر افزایش می‌یابد. در محیط‌های روشن نیز رطوبت خود را از دست داده و حساسیت کاهش پیدا می‌کند.

این فرآیند کاملاً خودکار انجام می‌شود و نیازی به کنترل خارجی ندارد؛ ویژگی مهمی که عملکرد این سیستم را به چشم انسان نزدیک‌تر می‌کند.

آزمایش موفق چشم مصنوعی

برای بررسی عملکرد این فناوری، پژوهشگران یک آرایه آزمایشی ۴×۴ از حسگرهای فتوممریستور طراحی کردند و آن را به یک شبکه عصبی مبتنی بر هوش مصنوعی متصل نمودند.

در این آزمایش، سیستم باید حرف کم‌رنگ F را روی پس‌زمینه‌ای بسیار روشن تشخیص می‌داد؛ شرایطی که برای بسیاری از سامانه‌های بینایی مصنوعی چالش‌برانگیز محسوب می‌شود.

نتایج نشان داد این سیستم تنها پس از هفت مرحله آموزش توانست به دقتی نزدیک به ۹۵ درصد در تشخیص الگوها دست پیدا کند. این عملکرد نشان می‌دهد فناوری جدید می‌تواند در محیط‌های واقعی نیز بسیار مؤثر عمل کند.

کاربردهای فراتر از خودروهای خودران

اگرچه هدف اولیه این فناوری افزایش دقت بینایی خودروهای خودران است، اما کاربردهای آن بسیار گسترده‌تر خواهد بود.

ربات‌های صنعتی می‌توانند در محیط‌های دارای نور متغیر با دقت بیشتری فعالیت کنند و خطاهای ناشی از تشخیص اشتباه را کاهش دهند.

ربات‌های خدماتی و انسان‌نما نیز قادر خواهند بود محیط اطراف خود را طبیعی‌تر درک کرده و تصمیمات دقیق‌تری بگیرند.

از سوی دیگر، پژوهشگران معتقدند این فناوری می‌تواند زمینه‌ساز توسعه سیستم‌های بینایی مصنوعی پیشرفته برای افراد کم‌بینا شود و کیفیت زندگی میلیون‌ها نفر را بهبود ببخشد.

همچنین دوربین‌های امنیتی و سامانه‌های نظارتی هوشمند می‌توانند از این فناوری برای عملکرد بهتر در شرایط نوری دشوار استفاده کنند.

آینده بینایی مصنوعی

روند توسعه فناوری نشان می‌دهد مهندسان بیش از گذشته به سراغ الگوبرداری از سیستم‌های زیستی رفته‌اند. چشم انسان همچنان یکی از کامل‌ترین سامانه‌های بینایی در جهان محسوب می‌شود و بازآفرینی عملکرد آن می‌تواند نسل جدیدی از حسگرهای هوشمند را به وجود آورد.

فناوری جدید توسعه‌یافته در دانشگاه Penn State نمونه‌ای موفق از این رویکرد است؛ سیستمی که نه تنها می‌تواند ایمنی خودروهای خودران را افزایش دهد، بلکه راه را برای توسعه ربات‌های هوشمندتر، تجهیزات پزشکی پیشرفته‌تر و نسل آینده بینایی مصنوعی هموار خواهد کرد.

سوالات متداول

چشم مصنوعی جدید چه تفاوتی با دوربین‌های معمولی دارد؟

این فناوری علاوه بر دریافت نور، بخشی از پردازش اطلاعات را نیز در خود حسگر انجام می‌دهد و به همین دلیل سرعت واکنش و دقت بسیار بالاتری نسبت به دوربین‌های معمولی دارد.

فتوممریستور چیست؟

فتوممریستور نوعی قطعه الکترونیکی هوشمند است که می‌تواند نور را دریافت، پردازش و ذخیره کند و عملکردی مشابه نورون‌های مغز و سلول‌های شبکیه چشم انسان دارد.

مهم‌ترین کاربرد این فناوری چیست؟

افزایش دقت بینایی خودروهای خودران، ربات‌های صنعتی، سامانه‌های هوش مصنوعی و تجهیزات پزشکی پیشرفته از مهم‌ترین کاربردهای این فناوری محسوب می‌شود.

آیا این فناوری می‌تواند به افراد کم‌بینا کمک کند؟

پژوهشگران امیدوارند در آینده از این فناوری برای توسعه سیستم‌های بینایی مصنوعی و ابزارهای کمک‌بینایی پیشرفته استفاده شود.

نتایج این پژوهش در کجا منتشر شده است؟

نتایج این تحقیق در نشریه علمی معتبر Nature Communications منتشر شده است.