Des chercheurs de l’université de Washington ont mis au point une minuscule caméra qui peut être portée par un insecte. Ici, un coléoptère Pinacate explore le campus de l’Université de Washington avec la caméra sur le dos.
Dans le film « Ant-Man », le personnage principal peut rétrécir et voyager en s’envolant sur le dos d’un insecte. Aujourd’hui, des chercheurs de l’université de Washington ont mis au point une minuscule caméra orientable sans fil qui peut également monter à bord d’un insecte, donnant ainsi à chacun la possibilité de voir une vue du monde de Ant-Man.
La caméra, qui transmet la vidéo à un smartphone à raison de 1 à 5 images par seconde, repose sur un bras mécanique qui peut pivoter de 60 degrés. Cela permet à un spectateur de capturer une image panoramique haute résolution ou de suivre un objet en mouvement tout en dépensant une quantité minimale d’énergie. Pour démontrer la polyvalence de ce système, qui pèse environ 250 milligrammes – soit environ un dixième du poids d’une carte à jouer – l’équipe l’a monté sur des coléoptères vivants et des robots de la taille d’un insecte.
« Nous avons créé un système de caméra sans fil à faible puissance et à faible poids qui peut capturer une vue à la première personne de ce qui se passe à partir d’un insecte vivant réel ou créer une vision pour de petits robots », a déclaré l’auteur principal Shyam Gollakota, professeur associé à l’UW, Paul G. Allen School of Computer Science & Engineering. « La vision est si importante pour la communication et la navigation, mais il est extrêmement difficile de le faire à une si petite échelle. Par conséquent, avant notre travail, la vision sans fil n’était pas possible pour les petits robots ou les insectes ».
Les petits appareils photo typiques, tels que ceux utilisés dans les smartphones, utilisent beaucoup de puissance pour capturer des photos grand angle et haute résolution, et cela ne fonctionne pas à l’échelle des insectes. Bien que les appareils photo eux-mêmes soient légers, les batteries dont ils ont besoin pour les alimenter rendent l’ensemble du système trop grand et trop lourd pour que les insectes – ou les robots de la taille d’un insecte – puissent s’y accrocher. L’équipe a donc tiré une leçon de biologie.
« Comme pour les caméras, la vision chez les animaux nécessite beaucoup de puissance », a déclaré le co-auteur Sawyer Fuller, professeur adjoint de génie mécanique à l’Université de Wisconsin. « C’est moins important chez les grandes créatures comme les humains, mais les mouches utilisent 10 à 20 % de leur énergie au repos juste pour alimenter leur cerveau, dont la plus grande partie est consacrée au traitement visuel. Pour réduire les coûts, certaines mouches possèdent une petite région à haute résolution de leurs yeux composés. Elles tournent la tête pour se diriger là où elles veulent voir avec plus de clarté, par exemple pour poursuivre une proie ou un compagnon. Cela leur permet d’économiser de l’énergie en ayant une haute résolution sur l’ensemble de leur champ visuel ».
Pour imiter la vision d’un animal, les chercheurs ont utilisé une minuscule caméra noir et blanc à très faible puissance qui peut balayer un champ de vision à l’aide d’un bras mécanique. Le bras se déplace lorsque l’équipe applique une haute tension, ce qui fait plier le matériau et déplace la caméra dans la position souhaitée. À moins que l’équipe n’applique une puissance plus importante, le bras reste à cet angle pendant environ une minute avant de se détendre et de revenir à sa position initiale. Cette méthode est similaire à celle qui permet aux gens de garder la tête tournée dans une direction pendant une courte période avant de revenir à une position plus neutre.
« Un des avantages de pouvoir déplacer la caméra est que vous pouvez obtenir une vue grand angle de ce qui se passe sans consommer une énorme quantité d’énergie », a déclaré le co-auteur principal Vikram Iyer, un étudiant en doctorat en génie électrique et informatique de l’UW. « Nous pouvons suivre un objet en mouvement sans avoir à dépenser l’énergie nécessaire pour déplacer tout un robot. Ces images sont également à une résolution plus élevée que si nous utilisions un objectif grand angle, ce qui permettrait de créer une image avec le même nombre de pixels répartis sur une zone beaucoup plus grande ».
L’appareil photo et le bras sont commandés par Bluetooth depuis un smartphone à une distance allant jusqu’à 120 mètres, soit un peu plus qu’un terrain de football.
Les chercheurs ont fixé leur système amovible à l’arrière de deux types de coléoptères différents – un coléoptère mortel et un coléoptère Pinacate. Des coléoptères similaires sont connus pour être capables de porter des charges plus lourdes qu’un demi-gramme, ont déclaré les chercheurs.
Une personne qui attache la caméra sur le dos du coléoptère
« Nous nous sommes assurés que les coléoptères pouvaient encore se déplacer correctement lorsqu’ils portaient notre système », a déclaré le co-auteur principal Ali Najafi, un étudiant en doctorat de l’UW en génie électrique et informatique. « Ils étaient capables de naviguer librement sur le gravier, de monter une pente et même de grimper aux arbres. »
Les coléoptères ont également vécu pendant au moins un an après la fin de l’expérience.
« Nous avons ajouté un petit accéléromètre à notre système pour pouvoir détecter quand le scarabée se déplace. Ensuite, il ne capture que des images pendant ce temps », a déclaré Vikram Iyer. « Si la caméra fonctionne en continu sans cet accéléromètre, nous pourrions enregistrer une à deux heures avant que la batterie ne soit déchargée. Avec l’accéléromètre, nous pourrions enregistrer pendant six heures ou plus, selon le niveau d’activité du scarabée ».
Les chercheurs ont également utilisé leur système de caméra pour concevoir le plus petit robot terrestre du monde, autonome en énergie et doté d’une vision sans fil. Ce robot de la taille d’un insecte utilise des vibrations pour se déplacer et consomme presque la même puissance que celle nécessaire au fonctionnement des radios Bluetooth à faible puissance.
L’équipe a toutefois constaté que les vibrations secouaient la caméra et produisaient des images déformées. Les chercheurs ont résolu ce problème en demandant au robot de s’arrêter momentanément, de prendre une photo puis de reprendre sa route. Grâce à cette stratégie, le système était encore capable de se déplacer de 2 à 3 centimètres par seconde – plus rapidement que tout autre petit robot qui utilise des vibrations pour se déplacer – et avait une autonomie d’environ 90 minutes.
Les chercheurs de l’UW ont testé leur système de caméra à faible puissance sur un robot de la taille d’un insecte qu’ils ont mis au point. Ce robot utilise des vibrations pour se déplacer.
Si l’équipe est enthousiasmée par le potentiel des caméras mobiles légères et à faible consommation d’énergie, les chercheurs reconnaissent que cette technologie s’accompagne d’un nouvel ensemble de risques pour la vie privée.
« En tant que chercheurs, nous croyons fermement qu’il est vraiment important de mettre les choses dans le domaine public afin que les gens soient conscients des risques et qu’ils puissent commencer à trouver des solutions pour y faire face », a déclaré M. Gollakota.
Les applications pourraient aller de la biologie à l’exploration de nouveaux environnements, ont déclaré les chercheurs. L’équipe espère que les futures versions de l’appareil photo nécessiteront encore moins d’énergie et seront sans batterie, potentiellement alimentées par l’énergie solaire.
« C’est la première fois que nous avons une vue à la première personne de l’arrière d’un scarabée pendant qu’il se promène. Il y a tant de questions que vous pourriez explorer, comme par exemple comment le scarabée réagit aux différents stimuli qu’il voit dans l’environnement » a déclaré Vikram Iyer. « Mais aussi, les insectes peuvent traverser des environnements rocheux, ce qui est vraiment difficile à faire pour des robots à cette échelle. Ce système peut donc aussi nous aider en nous permettant de voir ou de collecter des échantillons dans des espaces difficiles à naviguer ».
Johannes James, doctorant en génie mécanique à l’UW, est également co-auteur de cet article. Cette recherche a été financée par une bourse de Microsoft et la National Science Foundation.
https://www.washington.edu/news/2020/07/15/robotic-camera-backpack-for-insects/
https://robotics.sciencemag.org/content/5/44/eabb0839
