Wie weit ist ein Objekt entfernt? Technik zur Tiefenerfassung ist bisher relativ aufwändig. Um ein möglichst kleines und energieeffizientes System zu entwickeln, haben sich Forscher nun „Expertenrat“ aus der Natur geholt: Ihr Tiefensensor basiert auf dem Vorbild der raffinierten Augen der Springspinnen. Die neue Technik könnte nun die visuellen Fähigkeiten von Mikrorobotern und tragbaren Geräten voranbringen, sagen die Wissenschaftler.
Im Namen des Fortschritts tüftelt der Mensch an technischen Problemlösungen und entwickelt neue Konzepte. In gewisser Weise macht die Evolution das schon seit Jahrmillionen: Die Natur hat die Lebewesen der Erde mit erstaunlichen Materialien, Fähigkeiten und Konzepten ausgerüstet, die ihnen Überlebensvorteile bieten. Diese Naturpatente haben dem Menschen schon oft als Inspiration bei der Entwicklung technischer Lösungen gedient. Im aktuellen Fall haben Forscher nun den Springspinnen fragend in die Augen geblickt. Das Ziel des internationalen Teams war es dabei, die erstaunlichen Wahrnehmungsfähigkeiten dieser Arthropoden technisch nutzbar zu machen.
Das Besondere: Trotz ihrer kleinen Gehirne sind die Achtbeiner in der Lage, Entfernungen genau einzuschätzen, um gezielt auf Beutetiere zu hechten oder präzise von einem Objekt zum nächsten zu springen. Sie nutzen dabei ein System, das sich von unserer Tiefenwahrnehmung deutlich unterscheidet. Der Mensch erfasst Entfernungen durch Stereovision: Wenn wir auf ein Objekt schauen, nimmt jedes unserer beiden Augen ein leicht anderes Bild wahr. Das Gehirn vergleicht diese beiden Informationen und berechnet anhand der Unterschiede den Abstand zum Objekt.
Systeme der Tiefenwahrnehmung im Blick
“Dieses Konzept ist rechenintensiv”, sagt Co-Autor Todd Zickler von der Harvard University in Cambridge. “Wir können uns das leisten, weil wir ein großes Gehirn für die Informationsverarbeitung besitzen“. Ähnliches gilt auch für die bisherigen technischen Lösungen: Viele der heutigen Tiefensensoren, etwa in Handys, Autos und Videospielkonsolen, sind mit leistungsfähigen Recheneinheiten gekoppelt. Zudem verwenden sie integrierte Lichtquellen und mehrere Kameras, um die Entfernung zu messen. Dies funktioniert bei großen Geräten mit Platz für Bauteile und hoher Rechenleistung. In kleinen Anwendungen lässt sich diese Technik hingegen nicht integrieren.
Da auch die Spinnen geringe Kapazitäten besitzen, haben sie ein besonderes, sehr effizientes System zum Messen der Tiefe entwickelt: Jedes ihrer beiden Hauptaugen besitzt mehrere halbdurchsichtige Netzhäute, die in Schichten angeordnet sind. In Abhängigkeit von der Entfernung können sie Objekte dadurch in unterschiedlichen Schärfestufen erfassen. Wenn eine Springspinne beispielsweise eine Fliege mit einem ihrer Hauptaugen betrachtet, erscheint sie auf dem Bild einer Netzhaut schärfer und auf einer anderen unschärfer. Diese Unterschiede kodieren Informationen über die Entfernung zur Fliege, die das Gehirn der Spinne erfassen kann, erklären die Wissenschaftler. Es gab bereits Versuche, dieses System technisch umzusetzen – bislang führten sie aber offenbar zu keinen zufriedenstellen Ergebnissen.
Naturpatent technisch umgesetzt
Doch wie die Forscher nun berichten, ist ihnen ein entscheidender Fortschritt geglückt. Kernstück ihres Tiefensensors ist eine sogenannte Metalinse. Sie besitzt auf ihrer Oberfläche quadratische Nanosäulen in zwei verschiedenen Anordnungsmustern. Dadurch erzeugt die Metalinse zwei Bilder mit unterschiedlicher Schärfe gleichzeitig, erklären die Wissenschaftler. “Anstatt wie die Springspinnen eine geschichtete Netzhaut zu verwenden, um mehrere Bilder gleichzeitig aufzunehmen, spaltet die Metalinse das Licht und bildet zwei unterschiedlich defokussierte Bilder nebeneinander auf einem Fotosensor”, sagt Co-Autor Zhujun Shi von der Harvard University. Ein von den Forschern entwickelter Algorithmus wertet dann diese beiden Bildinformationen aus und ermöglicht dadurch eine Darstellung der Objektentfernung.
Das Resultat ist ein kleines und dennoch leistungsstarkes Gerät, das nur wenig Rechenleistung benötigt und damit großes Potenzial in der Technik besitzt, sagen die Forscher. “Das Vorbild der Natur, sowie Durchbrüche im Bereich des optischen Designs und der rechnergestützten Bildgebung haben die Entwicklung dieses neuen Tiefensensors ermöglicht, der ein breites Spektrum an Möglichkeiten in Wissenschaft und Technologie eröffnet”, resümiert Co-Autor Federico Capasso von der Harvard University.
Quelle: Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Fachartikel: PNAS, doi: 10.1073/pnas.1912154116
Photonenzähler und Dunkelfelder
