Sensori di profondità minuscoli e leggeri grazie agli occhi di ragno

I ricercatori di Harvard hanno realizzato sensori di profondità miniaturizzati osservando gli occhi dei ragni saltatori. Ecco come funzionano e perché potrebbero essere installati in microbot, smartwatch e dispositivi piccoli e poco potenti.

Le tecnologie fanno passi da gigante, ma l’evoluzione naturale resta la migliore maestra da cui imparare. Per questo i ricercatori della School of Engeneering and Applied Science dell’Università di Harvard hanno preso esempio dai ragni saltatori per sviluppare sensori di profondità per smartphone, automobili e console per videogiochi. Questi misurano le distanze sfruttando più telecamere, costruite imitando gli occhi di questi aracnidi.

Il lavoro è partito dall’osservazione delle acrobazie dei ragni saltatori. Nonostante abbiano un cervello molto piccolo, hanno un’impressionante percezione della profondità, che consente loro di avventarsi con estrema precisione su bersagli molto distanti. Per ottenere questo risultato, i ragni sfruttano i molteplici strati di retine presenti in ciascuno dei loro occhi. L’immagine più nitida in un occhio e più sfocata in un altro, fa emergere la profondità di messa a fuoco, che consente al ragno di giudicare la distanza esatta da coprire con un salto.

Imitando questa particolarità, i ricercatori di Harvard hanno sviluppato un nuovo obiettivo, battezzato “metalens“, e altre tecnologie minuscole. I metalens possono essere montati a bordo di microrobot, all’interno di piccoli dispositivi indossabili o in visori molto compatti per la realtà virtuale.

Tecnicamente, il dispositivo combina un metallo piatto multifunzionale con un algoritmo, che misura la profondità in un batter d’occhio. Zhujun Shi, co-autore dell’articolo, spiega che “il design ottico e la nanotecnologia ci stanno finalmente permettendo di esplorare sensori di profondità artificiali e altri sistemi di visione diversi ed efficaci”. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista di settore Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS).

La differenza di questa soluzione rispetto a quelle attuali è abissale. Molti dei sensori di profondità odierni, come quelli presenti negli smartphone, nelle automobili e nelle console per videogiochi, utilizzano fonti di luce integrate e telecamere multiple per misurare la distanza. Ad esempio, il riconoscimento facciale sfrutta migliaia di punti laser per mappare i contorni del viso. Soluzioni come queste occupano spazio, non sono adatte per dispositivi di piccole dimensioni con potenza di calcolo limitata, come smartwatch o microrobot.

È qui che scendono in campo i metalens. I ricercatori del SEAS avevano già dimostrato che con i metalens si possono produrre contemporaneamente diverse immagini contenenti informazioni differenti. Partendo da questa ricerca, il team ha progettato un metallo in grado di produrre contemporaneamente due immagini con una differente sfocatura. “Invece di usare strati multipli di retina per catturare più immagini simultaneamente, come fanno i ragni saltatori, i metalens dividono la luce e generano due immagini diverse, affiancate su un fotosensore”, spiega Shi.

A questo punto entra in gioco l’algoritmo, che interpreta le due immagini e costruisce una mappa di profondità per rappresentare la distanza dell’oggetto. Si tratta di un nuovo approccio alla produzione di sensori computazionali, che apre le porte a molte possibilità. I metalens così costruiti, infatti, possono implementare funzioni ottiche esistenti e nuove in modo molto più efficiente e più veloce. Non solo: hanno ingombri e complessità molto inferiori rispetto ai prodotti esistenti, quindi possono essere integrati in dispositivi molto piccoli, o concorrere a ridurre le dimensioni di quelli esistenti.