Cảm biến sinh học sáng tạo phát hiện chuyển động và dự đoán quỹ đạo cho các ứng dụng khác nhau

Những nhà nghiên cứu tại Đại học Aalto đã phát triển một cảm biến sinh học sáng tạo có thể phát hiện các vật thể di chuyển trong một khung hình video duy nhất và dự đoán chính xác chuyển động tương lai của chúng. Được mô tả trong một bài báo trên Nature Communications, cảm biến tiên tiến này có nhiều ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như cảm biến thị giác động, kiểm tra tự động, điều khiển quy trình công nghiệp, hướng dẫn robot và công nghệ lái xe tự động.

Các hệ thống phát hiện chuyển động truyền thống yêu cầu nhiều thành phần và thuật toán phức tạp thực hiện phân tích khung hình theo khung hình, dẫn đến hiệu suất thấp và tiêu thụ năng lượng cao. Để giải quyết những hạn chế này, nhóm nghiên cứu của Đại học Aalto đã tìm kiếm cảm hứng từ hệ thống thị giác của con người và tạo ra một công nghệ thị giác thần kinh mô phỏng kết hợp cảm biến, bộ nhớ và xử lý vào một thiết bị duy nhất có khả năng phát hiện chuyển động và dự đoán quỹ đạo.

Photomemristors: Lõi của Công nghệ Mới

Công nghệ của các nhà nghiên cứu được xây dựng trên một mảng photomemristors, các thiết bị điện tạo ra dòng điện khi tiếp xúc với ánh sáng. Photomemristors có một đặc tính độc đáo: dòng điện không ngừng ngay lập tức khi ánh sáng bị tắt, mà giảm dần. Đặc tính này cho phép photomemristors “nhớ” sự tiếp xúc gần đây với ánh sáng, cho phép một cảm biến được tạo thành từ một mảng các thiết bị này không chỉ thu được thông tin tức thời về một cảnh mà còn có bộ nhớ động về các khoảnh khắc trước đó.

“Đặc tính độc đáo của công nghệ của chúng tôi là khả năng tích hợp một loạt hình ảnh quang học trong một khung hình,” giải thích Hongwei Tan, nghiên cứu viên đứng đầu nghiên cứu. “Thông tin của mỗi hình ảnh được nhúng trong các hình ảnh tiếp theo dưới dạng thông tin ẩn. Nói cách khác, khung hình cuối cùng trong một video cũng có thông tin về tất cả các khung hình trước đó. Điều đó cho phép chúng tôi phát hiện chuyển động sớm hơn trong video bằng cách phân tích chỉ khung hình cuối cùng với một mạng nơ-ron nhân tạo đơn giản. Kết quả là một đơn vị cảm biến nhỏ gọn và hiệu quả.”

Thể hiện Khả năng của Công nghệ

Để thể hiện công nghệ của mình, các nhà nghiên cứu đã sử dụng các video hiển thị các chữ cái của một từ một lần. Mặc dù tất cả các từ đều kết thúc bằng chữ “E”, nhưng các cảm biến thị giác truyền thống không thể phân biệt liệu chữ “E” trên màn hình có theo sau các chữ cái khác trong “APPLE” hay “GRAPE”. Tuy nhiên, mảng photomemristor có thể sử dụng thông tin ẩn trong khung hình cuối cùng để suy luận ra các chữ cái đã đi trước và dự đoán từ với độ chính xác gần 100%.

Trong một thí nghiệm khác, nhóm nghiên cứu đã hiển thị cho cảm biến các video mô phỏng một người di chuyển ở ba tốc độ khác nhau. Hệ thống không chỉ có thể nhận ra chuyển động bằng cách phân tích một khung hình duy nhất mà còn dự đoán chính xác các khung hình tiếp theo.

Ảnh hưởng đến Xe tự động và Hệ thống Vận tải Thông minh

Phát hiện chuyển động chính xác và dự đoán quỹ đạo là rất quan trọng đối với công nghệ lái xe tự động và hệ thống vận tải thông minh. Xe tự động phụ thuộc vào dự đoán chính xác về cách các xe, xe đạp, người đi bộ và các vật thể khác sẽ di chuyển để đưa ra quyết định sáng suốt. Bằng cách tích hợp một hệ thống học máy vào mảng photomemristor, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng hệ thống tích hợp của họ có thể dự đoán chuyển động tương lai dựa trên xử lý trong cảm biến của một khung hình chứa tất cả thông tin.

“Nhận dạng chuyển động và dự đoán bằng giải pháp bộ nhớ và tính toán trong cảm biến của chúng tôi cung cấp cơ hội mới cho robot tự động và tương tác giữa người và máy,” theo giáo sư Sebastiaan van Dijken. “Thông tin trong khung hình mà chúng tôi đạt được trong hệ thống của mình bằng cách sử dụng photomemristors tránh các luồng dữ liệu trùng lặp, cho phép ra quyết định hiệu quả về năng lượng trong thời gian thực.”