Bio-inspireeritud nägemistehnoloogiad koos liitreaalsusega (AR)

Käivita moodul: Bio-inspireeritud nägemistehnoloogiad koos liitreaalsusega (AR)

Panoptes ja bioniline silm: uus õpimeetod liitreaalsusega (AR)

Nägemine on paljude organismide peamine meeleelund, ning bioloogilised nägemissüsteemid on juba pikka aega inspireerinud insenertehnilisi uuendusi. Arusaamine sellest, kuidas nägemist töödeldakse imetajate närvisüsteemis, on viinud murranguliste edusammudeni bionilise silma tehnoloogias ja robotite nägemissüsteemides.

Meie uues lähenemises täiustab liitreaalsus (AR) seda õpikogemust, pakkudes interaktiivseid 3D-visualiseeringuid bioloogilistest ja tehislikest nägemissüsteemidest. AR võimaldab õpilastel analüüsida, kuidas visuaalset informatsiooni nii looduslikes kui ka insenertehnilistes süsteemides haaratakse, töödeldakse ja tõlgendatakse, soodustades sügavamat ja praktilisemat arusaamist bioinspireeritud disainist (Venkatesen jt, 2021).

AR-ga täiustatud eksperimenteerimine visuaalses tajuvaldkonnas

Selles tegevuses osalevad õpilased interaktiivses mudelikatses, et kaardistada Panoptes-robotsilma vaatevälja reaktsioon. Inspireerituna Kreeka mütoloogia Argus Panoptesest—sajasilmsest kõiketeadvast valvurhiiglasest—teenib see süsteem bioinspireeritud platvormina robotinägemise ja võrkkestaproteeside uurimiseks.

AR-toega simulatsioonide abil saavad õpilased:

• Suhelda inimese nägemissüsteemi 3D-mudelitega, jälgides, kuidas valgus püütakse kinni, edastatakse ja tõlgendatakse primaarse nägemiskoore poolt.
• Simuleerida silmahaigusi nagu retiniit pigmentoosa ja maakuladegeneratsioon, et mõista, kuidas nägemishäired mõjutavad tajumist.
• Kattuda reaalajas AR-visuaalidega Panoptes-süsteemil, illustreerides, kuidas erinevad optilised stiimulid mõjutavad nii robot- kui ka bioloogilist nägemistöötlust.

Need interaktiivsed AR-kogemused võimaldavad õppijatel katsetada visuaalsete stiimulitega, muuta andurite konfiguratsioone ning jälgida, kuidas närvirajad reageerivad erinevatele valgusmustritele—matkides päriselu neuroteaduslikke uuringuid (Venkatesen jt, 2021).

Tehniline ühendus: AR võrkkesta proteeside ja nägemise taastamise uurimiseks

Loomade nägemine on tähelepanuväärne looduslik süsteem, mis on inseneridele eeskujuks võrkkesta proteeside—tehisimplantaatide—arendamisel, mille eesmärk on taastada nägemine inimestel, kellel on fotoretseptorite rakkude kahjustus. Need biomeditsiinilised seadmed stimuleerivad otse nägemisnärvi rakke, möödudes mittetoimivatest võrkkesta piirkondadest, et taastada visuaalne taju.

AR-põhiste meditsiiniliste õppeprogrammide abil saavad tudengid ja teadlased:

• Manipuleerida võrkkesta implantaatide AR-mudeleid, et uurida nende struktuurilist disaini ja funktsionaalsust.
• Simuleerida bioniliste nägemissüsteemide reaalseid rakendusi, näiteks AR-toega proteesil silma liideseid.
• Analüüsida nägemisnärvi signaali edastamist interaktiivsete AR-katete kaudu, kaardistades, kuidas visuaalne info muudetakse närviimpulssideks.

AR-i integreerimisega bionilise silma uurimistöös saavad tudengid osaleda virtuaalsetes testkeskkondades, mis matkivad kliinilisi tingimusi, parandades nende arusaamist nägemise taastamise tehnoloogiatest (Anderson ja Bischof, 2014).

Õpieesmärgid koos AR-integratsiooniga

Pärast seda AR-ga täiustatud harjutust peaksid õpilased olema võimelised:

• Selgitama nägemisteed ja selle rolli valgusstiimulite töötlemisel.
• Tõlgendama eksperimentaalseid andmeid, kasutades interaktiivseid AR-histogramme ja visuaalseid graafikuid.
• Analüüsima nägemiskoore ruumilist tundlikkust ning rakendama seda robotinägemise arendamisel.
• Võrdlema inimnägemist bio-inspireeritud optiliste süsteemidega, kasutades AR-põhiseid simulatsioone.

Sissejuhatus ja motivatsioon: Visuaalse õppe täiustamine liitreaalsuse abil

Nägemine mängib inimtaju kujundamisel domineerivat rolli, mõjutades seda, kuidas me oma ümbrust tõlgendame ja sellega suhtleme. Bioloogilise nägemise ja kaamerapõhiste optiliste süsteemide sarnasused pakuvad inseneridele väärtuslikke teadmisi bioinspireeritud andurite arendamiseks.

Laiendatud reaalsust kasutades saavad õpilased:

Võrrelda inimese silma ja kaamera objektiivi mehhanisme reaalajas, asetades optilisi mudeleid pärismaailma objektidele.

• Visualiseerida, kuidas valgus silmas murdub ja fokuseerub, jälgides selle teekonda sarvkestast võrkkestani.
• Suhelda simuleeritud vaateväljaga, reguleerides heledust, kontrasti ja teravust, et jäljendada erinevaid valgustingimusi.

Integreerides interaktiivseid digitaalseid pealispilte, saavad õpilased kogeda nägemisteadust omal käel, parandades nende võimet siduda bioloogilisi põhimõtteid tehnoloogiliste uuendustega.

Eksperimentaalne seadistus AR-toega

Panoptesi robotiline nägemissüsteem on bio-inspireeritud optiline seade, mida kasutatakse tehisnägemissüsteemide vaatevälja modelleerimiseks ja analüüsimiseks. Katse simuleerib, kuidas erinevad valgusallikad suhtlevad nägemisanduritega, võimaldades õpilastel kaardistada ruumilist tundlikkust kontrollitud visuaalsete stiimulite järjestuse abil.

Need täiustatud AR-rakendused võimaldavad õpilastel katsetingimusi reaalajas muuta, parandades nende arusaamist visuaalsest töötlemisest, andurite optimeerimisest ja andmete analüüsist (Venkatesen jt, 2021).

Protseduur AR täiustustega

Enne tegevust

• Valmista ette inimese silma, robotinägemissüsteemide ja närviradade 3D AR visualiseeringud.
• Sea üles Panoptes robotinägemise mudelid, tagades nende ühilduvuse AR-toega visuaalkaardistamise tööriistadega.
• Varusta õpilased digitaalsete töölehtedega reaalajas andmete märgistamiseks ja analüüsiks.

Koos õpilastega (1. ja 2. päev)

Hindamine ja väärtustamine

Õpitulemuste hindamiseks teevad õpilased järgmist:

• Täidavad eel- ja järeltestid, et hinnata oma arusaamist bioloogilisest ja tehislikust nägemisest.
• Kasutavad AR-toega visuaalse analüüsi tööriistu, et tõlgendada reaalajas andurite vastuse graafikuid.
• Osalevad interaktiivsetes aruteludes selle üle, kuidas AR toetab bioonilise silma uurimist ja robotite nägemisrakendusi.