עכבישים, עדשות ומה שביניהם

“מבין כל הפיתוחים שלנו והיתרונות הטכנולוגים שאנחנו מייצרים עם השנים, שום דבר לא מביס את הטבע והאבולוציה”, כך נפתח אחד המאמרים המרתקים של אוניברסיטת הארווארד. המאמר של לאה בורווס מחודש אוקטובר האחרון, סוקר את אחד המחקרים פורצי הדרך של בית הספר להנדסה ומעבדות המחלקה לפיסיקה בהארוורד. בעקבות המחקר פותח חיישן מיוחד למדידת מרחק ועומק המבוסס על…. העכביש המזנק – JUMPING SPIDER. החוקרים עקבו במהלך המחקר אחרי פעולת העכביש וכיצד הוא מצליח לעבד תמונה לכדי חישוביות מרחק מדויקת, עד לרמה של מילימטרים בודדים. מתברר שלעכביש המזנק יש שמונה עיניים ובעזרתן הוא יוצר לעצמו את בסיס הנתונים. בניגוד לבני האדם שמצליחים לחשב מרחק על ידי שתי עיניים המרוחקות זו מזו (יכולת ראיה סטריאו),לעכביש המזנק אין מוח מפותח דיו, כדי לייצר חישוביות מהירה, המקבילה לזו האנושית.

החוקרים הצליחו לפצח כיצד הוא מפצה על כך. התברר שכל אחת מהעיניים של העכביש מצוידת ברשתית רב שכבתיות היוצרת תמונה ברמת בהירות משתנה בהתאם למרחק מהאובייקט (“images with different degrees of blur”). העכביש מבצע חישוביות בהתאם לרמת אי הבהירות, וכך הוא אומד את המרחק מהטרף.

לדוגמא, עכביש שעוקב אחרי זבוב פירות. בעין הקרובה לזבוב הוא יקבל תמונה חדה, ובכל אחת מהאחרות חדות התמונה תהיה שונה. חישוביות כל התמונות יחד, יוצרת עבורו את מימד המרחק.

“הטבע יצר לעצמו קשת שלמה של פתרונות יצירתיים. ראיית העכביש המזנק היא אחת מהן”, מספר ד”ר ז’ו ג’ון שי, פיסיקאי שהשתתף במחקר. “כיום, הטכנולוגיה מאפשרת לנו להתחקות אחרי היכולות הללו. יכולת מתקדמת של תכנון אופטי יחד עם יכולת מיזעור (nanotechnology) , מביאות אותנו לפתרונות חדשים ואפקטיביים מאד”.

המחקר שבמימונו השתתפו מעבדות הניסוי של חיל האוויר האמריקני והקרן הלאומית למדע, זכה לתהודה גדולה בארצות הברית, כולל להכרה של האקדמיה הלאומית למדעים.

על פי הלקט הבטחוני של משרד הבטחון (דצמבר 2019), החוקרים מהארווארד הסתמכו על מודל שוני הבהירות עבור החיישן החדש שלהם, שיכול לחשב מרחקים בלי להסתמך על אלמנטים אופטיים רגילים. “בניגוד לעיניהם של העכבישים, החיישן אינו מכיל שכבות, אבל הוא מפצל את האור הנכנס כדי להפיק שתי תמונות שונות ולא ממוקדות על חיישן אור. הטכניקה הזו מוכרת כ “עומק באמצעות יציאה ממיקוד” (depth from defocus). החיישן שבניסוי – metalens – מגיע בקוטר של שלושה מילימטרים בלבד, ומשולב במערכת גדולה יותר שמבצעת את פענוח המידע שהוא קולט. לצורך כך, פיתחו החוקרים מנוע בינה מלאכותית (AI), המחקה גם הוא, את פעולת מערכת העצבים של העכביש המזנק. המידע המגיע מהחיישנים מוזן לאלגוריתם שמשווה את התמונות השונות זו לזו, ומסוגל להפיק מפת עומק בזמן-אמת. בדומה לתהליכי החישוב במוחו הפשוט של העכביש המזנק, התהליך יעיל ביותר. החוקרים מאמינים שלמערכת חישת העומק יכולים להיות שימושים חשובים בתחום הרכבים והרובוטים האוטונומיים. כך למשל, במקום למקם מספר מצלמות סביב הרכב, ולהשתמש באלגוריתמים מורכבים לייצור מפות עומק, ניתן יהיה לפזר מספר רב של חיישני עומק זעירים. החיישנים הזעירים יוכלו להפיק מפת עומק מהירה, מבלי לדרוש כוחות מחשוב גדולים. הטכנולוגיה הזו יכולה למצוא מקום גם בטלפונים חכמים, כדי לאפשר זיהוי פנים מהיר ויעיל”.

טוד ציקלר, אחד המדענים שהשתתף במחקר מציע ניסוי פשוט, כדי להבין את יכולת החישוב האנושית אל מול זו של העכבישים. לדבריו, העמדת אצבע במרחק של 20 ס”מ מהפנים נותנת לנו פרספקטיבה מדויקת. אבל, עם עצימת עין אחת האצבע כביכול “זזה”, וכך גם במקרה של עצימת העין השנייה. “מה שפיסית קורה במוח שלנו הוא התהליך הבא”, מסביר זוקר. “המוח מקבל שתי תמונות שונות לחלוטין. הוא בוחן אותם פיקסל אחרי פיקסל, ואז יוצר תמונה אחת עם המרחק המדויק. מבחינה חישובית יש כאן פעולה מאד כבדה, אבל מהירה. לעכבישים אין את היכולת הזו ולכן הם פיתחו עם השנים את היכולת האלטרנטיבית”.

לטענת החוקרים, רכיב ה metalens מספק יכולת חישובית מהירה יותר בהשוואה לפתרונות הקיימים כיום בשוק. “ה Metalenses הם ללא ספק GAME CHANGER” אומר פרופסור פדריקו קאפאסו, הפיסיקאי שבמעבדת המחקר שלו פותחו העדשות. “יש לעדשות הללו גמישות טכנולוגית עצומה המאפשרת לשלב אותן במערכות שונות ללא פגיעה ברמת הביצועים שלהן. פריצת הדרך שלנו היא בהיתוך שבין תכנון אופטי מתקדם – optical design, לחישוביות תמונה גבוהה computational imaging. השילוב של שתי היכולות הללו בתוך מצלמה זעירה, פתחה לתעשייה קשת שלמה של אפשרויות חדשות”.

מי הוא העכביש המזנק

העכביש המזנק שייך למשפחה הגדולה ביותר מבין העכבישים, ה Salticidae – קופצניים. המשפחה הזו מונה כ 560 סוגים של עכבישים המתחלקים ל…5090 מינים שונים. בישראל מונה משפחת הקופצנים 34 סוגים ו 108 מינים. לעכביש הקופץ יכולת ראיה חדה מאד, ורגלים המאפשרות יכולת ניתור חזקה. בדרך כלל הם נעים בין ענפים או עלים, אבל דרך התנועה המועדפת עליהם היא על גבי קורים. בכל שנה ב 10 באוקטובר, מצויין בעולם “יום הקופצנים הבינלאומי” , שמטרתו לעורר הכרה במשפחת הכבישים הקופצניים ולהוריד לציבור את סף הסלידה מהם.


אמיר בר-שלום

תגובות סגורות