Biologijos įkvėptos regos technologijos su papildyta realybe (AR)

Vykdyti modulį: Biologijos įkvėptos regos technologijos su papildyta realybe (AR)

Panoptis ir bioninė akis: naujas mokymosi metodas su AR

Regėjimas yra pagrindinė jutiminė modalumas daugeliui organizmų, o biologinės regos sistemos jau seniai įkvėpė inžinerines naujoves. Supratimas, kaip regėjimas yra apdorojamas žinduolių nervų sistemoje, lėmė revoliucinius pasiekimus bioninės akies technologijoje ir robotinėse regos sistemose.

Mūsų naujajame metode papildyta realybė (AR) pagerina mokymosi patirtį, suteikdama interaktyvias, 3D vizualizacijas apie biologines ir dirbtines regos sistemas. AR leidžia studentams analizuoti, kaip vaizdinė informacija yra fiksuojama, apdorojama ir interpretuojama tiek natūraliose, tiek inžinerinėse sistemose, skatinant gilesnį, praktinį bioįkvėpto dizaino supratimą (Venkatesen ir kt., 2021).

AR patobulintas eksperimentavimas vizualiniame suvokime

Šioje veikloje studentai dalyvauja interaktyviame modelio eksperimente, kuriame žemėlapioja Panoptes robotinės akies regos lauko reakciją. Įkvėpta graikų mitologijos Arguso Panopteso – viską matančio sargo milžino su 100 akių – ši sistema yra bioįkvėptas pagrindas robotinės regos ir tinklainės protezų tyrimams.

Naudodamiesi AR patobulintomis simuliacijomis, studentai gali:

• Interaktyviai tyrinėti žmogaus regos sistemos 3D modelius, stebėdami, kaip šviesa yra fiksuojama, perduodama ir interpretuojama pirminėje regos žievėje.
• Simuliuoti akių ligas, tokias kaip retinitas pigmentosa ir geltonosios dėmės degeneracija, kad suprastų, kaip regos sutrikimai veikia suvokimą.
• Uždėti realaus laiko AR vizualizacijas ant Panoptes sistemos, iliustruojant, kaip skirtingi optiniai dirgikliai veikia robotinės ir biologinės regos apdorojimą.

Šios interaktyvios AR patirtys leidžia mokiniams eksperimentuoti su regos dirgikliais, keisti jutiklių konfigūracijas ir stebėti, kaip neuroniniai keliai reaguoja į įvairius šviesos raštus – imituojant realius neuromokslų tyrimus (Venkatesen ir kt., 2021).

Techninis ryšys: AR tinkamas tinklainės protezų ir regos atkūrimo studijoms

Gyvūnų rega yra išskirtinė natūrali sistema, tarnaujanti kaip modelis inžinieriams, kuriantiems tinklainės protezus – dirbtinius implantus, skirtus atkurti regėjimą asmenims, kurių fotoreceptorių ląstelės yra pažeistos. Šie biomedicininiai prietaisai tiesiogiai stimuliuoja regos nervo ląsteles, apeidami neveikiančias tinklainės sritis ir atkurdami regos suvokimą.

Naudodamiesi AR pagrįstais medicininio mokymo moduliais, studentai ir tyrėjai gali:

• Manipuliuoti tinklainės implantų AR modeliais, tyrinėdami jų struktūrinį dizainą ir funkcionalumą.
• Simuliuoti bioninės regos sistemų realaus pasaulio taikymus, pavyzdžiui, AR pagrįsas protezinių akių sąsajas.
• Analizuoti regos nervo signalų perdavimą naudojant interaktyvius AR perdengimus, žemėlapiuose vaizduojant, kaip regos duomenys paverčiami nerviniais impulsais.

Integruojant AR į bioninės akies tyrimus, studentai gali dalyvauti virtualiose testavimo aplinkose, kurios atkuria klinikines sąlygas ir pagerina jų supratimą apie regos atkūrimo technologijas (Anderson ir Bischof, 2014).

Mokymosi tikslai su AR integracija

Po šio AR patobulinto pratimo studentai turėtų gebėti:

• Paaiškinti regos kelią ir jo vaidmenį apdorojant šviesos dirgiklius.
• Interpretuoti eksperimentinius duomenis naudojant interaktyvius AR histogramas ir vizualines diagramas.
• Analizuoti regos žievės erdvinį jautrumą, taikant jį robotinės regos vystymui.
• Palyginti žmogaus regėjimą su bioįkvėptomis optinėmis sistemomis, naudojant AR pagrįstas simuliacijas.

Įvadas ir motyvacija: Vizualinio mokymosi gerinimas naudojant papildytąją realybę

Regėjimas atlieka dominuojantį vaidmenį žmogaus suvokime, darydamas įtaką tam, kaip interpretuojame ir sąveikaujame su mus supančia aplinka. Panašumai tarp biologinio regėjimo ir kameromis pagrįstų optinių sistemų suteikia vertingų įžvalgų inžinieriams, kuriantiems bioįkvėptus jutiklius.

Naudodami papildytąją realybę, studentai gali:

Realiu laiku palyginti žmogaus akies ir kameros objektyvo veikimo mechaniką, uždengdami optinius modelius ant realių objektų.

• Vizualizuoti, kaip šviesa lūžta ir fokusuojama akyje, atsekti jos kelią nuo ragenos iki tinklainės.
• Sąveikauti su simuliuotu regos lauku, reguliuoti ryškumą, kontrastą ir fokusą, kad imituotų įvairias apšvietimo sąlygas.

Integruodami interaktyvius skaitmeninius perdengimus, studentai gali patirti regėjimo mokslą iš pirmų rankų, pagerindami gebėjimą susieti biologinius principus su technologinėmis naujovėmis.

Eksperimentinė sąranka su AR palaikymu

Panoptes robotinės regos sistema yra bioįkvėptas optinis įrenginys, naudojamas dirbtinių regos sistemų matymo lauko modeliavimui ir analizei. Eksperimentas simuliuoja, kaip skirtingi šviesos šaltiniai sąveikauja su regos jutikliais, leidžiant studentams sudaryti erdvinio jautrumo žemėlapius per kontroliuojamą vizualinių dirgiklių seką.

Šios patobulintos AR programos leidžia studentams realiu laiku keisti eksperimentines sąlygas, gerinant jų supratimą apie regos apdorojimą, jutiklių optimizavimą ir duomenų analizę (Venkatesen ir kt., 2021).

Procedūra su AR patobulinimais

Prieš veiklą

• Paruoškite 3D AR vizualizacijas žmogaus akies, robotinių regos sistemų ir nervinių takų.
• Nustatykite Panoptes robotinės regos modelius, užtikrindami suderinamumą su AR palaikomais vizualinio žemėlapio įrankiais.
• Suteikite mokiniams skaitmeninius darbo lapus realiu laiku duomenų žymėjimui ir analizei.

Su mokiniais (1 ir 2 diena)

Vertinimas ir įvertinimas

Norint įvertinti mokymosi rezultatus, studentai:

• Atliks prieštestį ir po testą, vertinančius jų supratimą apie biologinį ir dirbtinį matymą.
• Naudos AR pagrindu veikiančius vaizdinės analizės įrankius realaus laiko jutiklių atsako grafikams interpretuoti.
• Dalyvaus interaktyviose diskusijose apie tai, kaip AR technologijos pagerina bioninės akies tyrimus ir robotinės regos taikymus.