Camera’s in zelfrijdende auto’s hebben moeite met situaties waarin fel en zwak licht naast elkaar bestaan. Onderzoekers hebben nu een lichtsensor ontwikkeld die dat probleem oplost op het niveau van de hardware zelf. Het systeem is geïnspireerd door het menselijk oog.
Het menselijk oog past zich continu aan wisselende lichtomstandigheden aan. Dat kan het onder meer dankzij rhodopsine, een lichtgevoelig pigment in de staafjes van het netvlies. Bij fel licht wordt het afgebroken, bij weinig licht herstelt het zich.
Camera’s in auto’s en robots hebben daar moeite mee. Ze passen hun belichting aan via software en algoritmen. Dat werkt alleen goed wanneer het licht waar ze naar kijken min of meer uniform is. Zodra donkere en felle zones in hetzelfde beeld voorkomen (en dat gebeurt in het verkeer heel vaak) gaat er informatie verloren.
Water als schakelaar
Amerikaanse en Chinese onderzoekers hebben dit opgelost met een zogeheten fotomemristor. Dat is een lichtsensor die zichzelf aanpast aan de lichtintensiteit, zonder dat daar externe elektronica voor nodig is. Het apparaatje bestaat uit twee dunne lagen van titaniumdioxide en de geleidende kunststof PEDOT:PSS. PEDOT:PSS absorbeert van nature water uit de omgeving. Dat water maakt het materiaal beter geleidend. Wanneer er fel licht op valt, warmt het oppervlak op en verdampt het water, waardoor de geleiding daalt. Bij zwak licht blijft het water aanwezig en worden signalen versterkt.
Hardware, geen software
Kort gezegd: dit is een sensor die felle lichtbronnen onderdrukt en zwakke signalen behoudt. Dat is het omgekeerde van wat een gewone camera doet. Larry Cheng, mede-auteur van de studie, vertelt aan Scientias.nl wat daar zo vernieuwend aan is. “De cruciale innovatie is niet zozeer het materiaal, maar het onderliggende principe waarbij licht de opname en afgifte van moleculen stuurt, en daarmee ook de lichtgevoeligheid aanpast aan de intensiteit van het licht.”
Camerasystemen in auto’s regelen hun lichtgevoeligheid grotendeels via software. De fotomemristor past daarentegen zijn fysieke eigenschappen aan. Dat is een primeur.
Nog niet klaar voor de markt
Om het principe te demonstreren hebben de onderzoekers een minuscuul raster van vier bij vier sensoren gebouwd en dat gekoppeld dat aan een neuraal netwerk. In een opstelling met gemengd licht herkende het systeem na honderd trainingsrondes de juiste letter met een nauwkeurigheid van meer dan 91 procent. Een mooi begin, maar Cheng plaatst het in perspectief.
“De prestatie bij letterherkenning moet meer worden gezien als een proof-of-concept dan als een waarnemingssysteem voor autonoom rijden. De overstap van eenvoudige herkenning van een letter of patroon naar complexere scenario’s, zoals verkeersscènes, vereist een veel groter aantal neuronen, integratie in beeldvormingssystemen, training op uitgebreide datasets uit de echte wereld en testen onder wisselende weersomstandigheden, bewegingen, lichtomstandigheden en objecttypen.”
Nog enkele jaren wachten
De huidige sensor is een halve millimeter breed en het geteste raster telt zestien pixels. Een bruikbaar camerasysteem heeft er miljoenen nodig. “Schaalbaarheid zou een grote stap vooruit zijn, maar de schaalbaarheid moet nog verder worden bewezen”, zegt Cheng.
Bovendien is het apparaatje voorlopig alleen getest met ultraviolet licht, dat onzichtbaar is voor het menselijk oog en niet het primaire lichtspectrum is waar camera’s in auto’s mee werken. Om te werken in de echte wereld moet de absorptielaag worden aangepast om ook zichtbaar licht te kunnen waarnemen.
Het team heeft desalniettemin een voorlopig octrooi aangevraagd, maar wederom tempert Cheng de verwachtingen. “Dit bevindt zich in een vroeg stadium van onderzoek. Een octrooiaanvraag geeft aan dat de groep de translationele waarde ervan ziet, maar de huidige ontwikkeling is meer een proof-of-concept dan iets wat bijna autoklaar is. Ik zou wel zeggen dat de ontwikkelingstermijn realistisch gezien in jaren wordt gemeten, niet in decennia.”
We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Waarom we geestelijk nog niet klaar zijn voor de zelfrijdende auto en Het is zover: zelfrijdende auto’s kunnen nu beter rijden dan mensen. Of lees dit artikel: Ademende knuffelrobot laat zien hoe besmettelijk angst is.
Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:
