Inżynierowie stworzyli kompaktowy czujnik z obrazowaniem w podczerwieni dla dronów, usprawniający zarządzanie uprawami, umożliwiający precyzyjne nawadnianie i zwalczanie szkodników, co może obniżyć ceny artykułów spożywczych i zwiększyć zbiory.
Międzynarodowy zespół inżynierów opracował kompaktowy i lekki system czujników z możliwością obrazowania w podczerwieni, który można łatwo zamontować na dronie w celu zdalnego monitorowania upraw.
Ta technologia płaskiej optyki może zastąpić tradycyjne zastosowania soczewek optycznych do wykrywania środowiska w wielu gałęziach przemysłu.
Ta innowacja mogłaby skutkować tańszymi artykułami spożywczymi, ponieważ rolnicy mogliby wskazać, które uprawy wymagają nawadniania, nawożenia i zwalczania szkodników, zamiast stosować uniwersalne podejście, co potencjalnie mogłoby zwiększyć zbiory.
System czujników może szybko przełączać się między wykrywaniem krawędzi – obrazowaniem konturu obiektu, takiego jak owoc – a wydobywaniem szczegółowych informacji w podczerwieni, bez konieczności tworzenia dużych ilości danych i korzystania z nieporęcznych procesorów zewnętrznych.
Możliwość przełączenia na szczegółowy obraz w podczerwieni to nowe osiągnięcie w tej dziedzinie, które może umożliwić rolnikom zebranie większej ilości informacji, gdy zdalny czujnik zidentyfikuje obszary potencjalnej inwazji szkodników.
Wyniki badań przeprowadzonych przez inżynierów z City University of New York (CUNY), University of Melbourne, RMIT University i ARC Center of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS) opublikowano w czasopiśmie: Komunikacja przyrodnicza.
Jak działa system czujników?
Prototypowy system czujników, składający się z filtra wykonanego z cienkiej warstwy materiału zwanego dwutlenkiem wanadu, który może przełączać się między wykrywaniem krawędzi a szczegółowym obrazowaniem w podczerwieni, został zaprojektowany przez głównego badacza TMOS, profesor Madhu Bhaskaran i jej zespół w RMIT w Melbourne.
„Materiały takie jak dwutlenek wanadu mają fantastyczne możliwości dostrajania, dzięki czemu urządzenia stają się „inteligentne”” – powiedziała.
„Kiedy zmienia się temperatura filtra, dwutlenek wanadu przechodzi ze stanu izolującego w metaliczny, w ten sposób przetworzony obraz zmienia się z przefiltrowanego konturu w niefiltrowany obraz w podczerwieni”.
„Materiały te mogą mieć ogromne znaczenie w futurystycznych urządzeniach z płaską optyką, które mogą zastąpić technologie tradycyjnymi soczewkami do zastosowań w czujnikach środowiskowych, co czyni je idealnymi do stosowania w dronach i satelitach, które wymagają niewielkich rozmiarów, wagi i mocy.
RMIT posiada przyznany patent w USA i oczekuje na rozpatrzenie australijskiego wniosku patentowego na swoją metodę wytwarzania folii z dwutlenku wanadu, która może nadawać się do szerokiego zakresu zastosowań.
Główny autor, dr Michele Cotrufo, stwierdził, że zdolność systemu do przełączania między operacjami przetwarzania, od wykrywania krawędzi po rejestrowanie szczegółowych obrazów w podczerwieni, jest znacząca.
„Chociaż w kilku ostatnich demonstracjach osiągnięto analogowe wykrywanie krawędzi przy użyciu metapowierzchni, większość zademonstrowanych do tej pory urządzeń jest statyczna. Ich funkcjonalność jest ustalona w czasie i nie można jej dynamicznie zmieniać ani kontrolować” – powiedział Corufo, który prowadził badania w CUNY.
„Jednak zdolność do dynamicznej rekonfiguracji operacji przetwarzania jest kluczowa, aby metapowierzchnie mogły konkurować z systemami cyfrowego przetwarzania obrazu. To właśnie opracowaliśmy.”
Kolejne kroki
Współautor Shaban Sulejman z Uniwersytetu w Melbourne powiedział, że konstrukcja i użyte materiały sprawiają, że filtr nadaje się do masowej produkcji.
„Działa również w temperaturach zgodnych ze standardowymi technikami produkcyjnymi, dzięki czemu doskonale nadaje się do integracji z systemami dostępnymi na rynku, a tym samym szybkiego przejścia od badań do zastosowań w świecie rzeczywistym”.
Główna badaczka TMOS, Ann Roberts, również z Uniwersytetu w Melbourne, stwierdziła, że technologie optyki płaskiej mają potencjał, aby przekształcić niezliczone gałęzie przemysłu.
„Tradycyjne elementy optyczne od dawna stanowią wąskie gardło uniemożliwiające dalszą miniaturyzację urządzeń. Możliwość zastąpienia lub uzupełnienia tradycyjnych elementów optycznych optyką cienkowarstwową pozwala pokonać to wąskie gardło.”
Odniesienie: „Rekonfigurowalne metapowierzchnie przetwarzania obrazu za pomocą materiałów zmiennofazowych” autorstwa Michele Cotrufo, Shabana B. Sulejmana, Lukasa Wesemanna, lekarza Ataura Rahmana, Madhu Bhaskarana, Ann Roberts i Andrei Alù, 27 maja 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48783-3
Badanie zostało sfinansowane przez Australijską Radę ds. Badań Naukowych.
