NATURALEZA

Esta cámara del tamaño de una miga de pan usa inteligencia artificial para obtener grandes resultados

Di «¡Berenjena!» Los investigadores han desarrollado una pequeña cámara que toma imágenes muy nítidas. Simplemente no estornudes cuando la tengas en la mano. Del tamaño de un grano de sal kosher, es posible que nunca la vuelvas a encontrar.

Las cámaras más pequeñas podrían significar teléfonos inteligentes más livianos y nuevos dispositivos al estilo de James Bond. Pero eso no es todo. Una cámara de esta escala puede nadar a través de su cuerpo, montarse en un insecto, observar su cerebro o monitorear entornos hostiles. Estas son solo algunas de las posibilidades.

¿Cómo empaquetas tanta potencia de cámara en algo del tamaño de una migaja? Hacer lentes de cámara requería un «enfoque completamente diferente», dijo Felix Heide. Es científico informático en la Universidad de Princeton en Nueva Jersey. Su laboratorio desarrolló la cámara con colegas de la Universidad de Washington en Seattle. Los equipos comparten su trabajo. existe Comunicaciones de la naturaleza Noviembre.

Una cámara tiene dos partes principales: la lente y el sensor. La lente desvía la luz entrante hacia el sensor que registra la imagen. Los sensores se han vuelto cada vez más pequeños en las últimas décadas. Pero la lente es otra cosa. «La lente no está miniaturizada en absoluto», dijo Hyde. La mayoría de los diseños actuales difieren un poco de los del siglo XIX.

Las lentes se fabrican tradicionalmente apilando láminas curvas de vidrio o plástico. Las superficies curvas desvían la luz. La curvatura de la luz depende de la curvatura. La lente puede ser una pieza de vidrio. Para curvar la luz de más maneras, puede apilar varias juntas.

El equipo de Hyde tomó un enfoque completamente diferente.hicieron un tiro metasuperficieEstas superficies son materiales ultradelgados creados por el hombre estampados con estructuras diminutas. Estas estructuras son tan pequeñas que se miden en mil millonésimas de metro (nanómetro). Los materiales similares pero ligeramente más gruesos se denominan metamateriales.

La imagen borrosa de la flor captada por la mini cámara anterior contrasta con la imagen más nítida captada por la nueva cámara
Las fotos tomadas con otras cámaras en miniatura están borrosas y distorsionadas (izquierda). La nueva cámara toma fotografías nítidas a todo color (derecha). Son comparables a las fotografías tomadas por cámaras convencionales.Universidad de Princeton

«Los metamateriales interactúan con la luz de formas completamente nuevas que no se encuentran en la naturaleza», explica Natalia Litchinitser. Es ingeniera eléctrica en la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte, y la forma en que interactúan depende de las estructuras: su forma, densidad, patrones y de qué están hechas. Lo mismo ocurre con las metasuperficies.

Con el diseño adecuado, las metasuperficies se pueden convertir en lentes o espejos diminutos. Esto significa que pueden meterse en espacios reducidos y revelar cosas que la gente nunca antes había visto. ¿Otra ventaja? Se pueden hacer con centavos. Eso es porque puedes hacerlos usando procesos desarrollados para producir chips de computadora.

Aún así, Litchinitser advierte que la tecnología es relativamente nueva y tiene sus limitaciones. Por ejemplo, las lentes de metasuperficie a menudo producen imágenes borrosas o imágenes con halos de colores alrededor de los bordes. Litchinitser le da crédito a los creadores de la nueva cámara por desarrollar programas de computadora para superar estos problemas. Para estos programas, los investigadores recurren a la inteligencia artificial o IA.

«Aprender» para mejores fotos

Cuando TikTok o Snapchat reconocen tu rostro en una foto y aplican un filtro, eso es IA en el trabajo. Cuanto más use estas funciones, mejor será su aprendizaje automático para identificarlo. Eso es porque estos programas aprenden de sus errores.

A través de un enfoque similar, el equipo de Heide abordó dos desafíos clave para las cámaras de metasuperficie: el diseño de lentes y la calidad de imagen. Para obtener imágenes de alta calidad, necesitaban una metasuperficie con más de 1,5 millones de estructuras metálicas. Pero, ¿cómo deben organizarse estas estructuras para obtener la mejor imagen posible? Explorar todas las posibilidades requiere demasiado tiempo y potencia informática.

Afortunadamente, hay un atajo. El equipo escribió un programa de computadora que simula la luz que pasa a través de la lente y las imágenes que crea. Luego, el programa ajusta el diseño de la lente y vuelve a ejecutar la simulación. Compara la nueva imagen con la imagen anterior y decide cuál es mejor. A medida que el programa recorre las diferentes posibilidades, aprende un poco cada vez sobre cómo ajustar mejor el diseño y obtener la mejor imagen posible.

Pero incluso el diseño de lente perfecto no brindará una imagen nítida a menos que enfrente otros desafíos. Ninguna lente de metasuperficie puede enfocar perfectamente toda la luz que la atraviesa. Esto introduce ambigüedad. Para resolver este problema, el equipo escribió un segundo programa de computadora. La persona mira una imagen que simula una escena. Las imágenes se ven borrosas de diferentes maneras. Al recorrer las imágenes y compararlas con la escena original, el programa aprende a corregir cada tipo de desenfoque. Resultado: un programa de procesamiento de imágenes hace que la imagen sea nítida y enfocada.

Una lente que mide solo 0,5 milímetros cúbicos (millonésimas de pulgada cúbica) ahora puede ser 550 000 veces más grande que las lentes de las cámaras convencionales. Al igual que su predecesora más voluminosa, las fotos de la nueva cámara son nítidas, coloridas y capturan un amplio campo de visión. Incluso puedes tomar selfies con él. Por ahora, sin embargo, el equipo está teniendo más cuidado y manteniéndolo fuera de la nariz.

Ethan Tseng es un estudiante graduado de informática en el laboratorio de Heide. Codirigió el proyecto con un estudiante de la UW. «Estamos viviendo tiempos muy emocionantes», dijo Tseng. «Estamos viendo todo tipo de tecnologías geniales que pueden revolucionar la forma en que pensamos originalmente sobre la construcción de cosas».

Esta es una de una serie que presenta noticias sobre tecnología e innovación con el generoso apoyo de la Fundación Lemelson.

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