Un sistema de diminutos sensores de imagen infrarroja podría ser fácilmente instalado en un dron para monitoreo remoto de cultivos y ayudar a reducir el precio de la comida

Con una cámara infrarroja es posible obtener imágenes de un campo cultivado y saber muchas cosas: si hace falta agua, fertilizante, o si hay plagas. Hay un problema: son cámaras grandes y pesadas, y hay que tomar imágenes de todo el campo.

La tecnología de óptica plana desarrollada por el equipo de investigación tiene el potencial de reemplazar las aplicaciones tradicionales de lentes ópticas para la detección ambiental en una variedad de industrias. Esta innovación podría resultar en alimentos más baratos ya que los agricultores podrían identificar con precisión qué cultivos requieren riego, fertilización y control de plagas, en lugar de adoptar un enfoque de talla única, lo que podría aumentar sus cosechas.

El sistema de sensores puede alternar rápidamente entre la detección de bordes – la imagen del contorno de un objeto, como una fruta – y la extracción de información infrarroja detallada, sin la necesidad de crear grandes volúmenes de datos y utilizar procesadores externos voluminosos.

La capacidad de cambiar a una imagen infrarroja detallada es un nuevo desarrollo en el campo y podría permitir a los agricultores recopilar más información cuando el sensor remoto identifica áreas de posibles infestaciones de plagas.

Esta investigación de ingenieros de la Universidad de la Ciudad de Nueva York (CUNY), la Universidad de Melbourne, la Universidad de Tecnología de RMIT y el Centro de Excelencia ARC para Sistemas Meta-Ópticos Transformadores (TMOS) se publica en Nature Communications.

¿Cómo funciona el sistema de sensores?

El prototipo del sistema de sensores, que incluye un filtro hecho con una delgada capa de un material llamado vanadio dióxido que puede alternar entre la detección de bordes y la imagen infrarroja detallada, fue diseñado por el Investigador Principal de TMOS, el profesor Madhu Bhaskaran y su equipo en RMIT en Melbourne.

“Materiales como el vanadio dióxido añaden una capacidad de ajuste fantástica para hacer que los dispositivos sean ‘inteligentes’”, dijo ella.

“Cuando se cambia la temperatura del filtro, el vanadio dióxido se transforma de un estado aislante a un estado metálico, que es cómo la imagen procesada cambia de un contorno filtrado a una imagen infrarroja no filtrada.”

“Estos materiales podrían recorrer un largo camino en dispositivos futuristas de óptica plana que pueden reemplazar tecnologías con lentes tradicionales para aplicaciones de detección ambiental – haciéndolos ideales para su uso en drones y satélites, que requieren una baja capacidad de tamaño, peso y energía.

RMIT tiene una patente otorgada en Estados Unidos y una solicitud de patente pendiente en Australia para su método de producción de películas de vanadio dióxido, que puede ser adecuado para una amplia gama de aplicaciones.

El autor principal, el Dr. Michele Cotrufo, dijo que la capacidad del sistema de cambiar entre operaciones de procesamiento, desde la detección de bordes hasta la captura de imágenes infrarrojas detalladas, era significativa.

“Mientras que algunas demostraciones recientes han logrado la detección de bordes analógicos utilizando metasuperficies, la mayoría de los dispositivos demostrados hasta ahora son estáticos. Su funcionalidad está fija en el tiempo y no puede ser alterada o controlada dinámicamente,” dijo Cotrufo, quien realizó su investigación en CUNY.

“Sin embargo, la capacidad de reconfigurar dinámicamente las operaciones de procesamiento es clave para que las metasuperficies puedan competir con los sistemas de procesamiento de imágenes digitales. Esto es lo que hemos desarrollado.”

Próximos pasos

El coautor Shaban Sulejman de la Universidad de Melbourne dijo que el diseño y los materiales utilizados hacen que el filtro sea adecuado para la fabricación en masa.

“También opera a temperaturas compatibles con técnicas de fabricación estándar, lo que lo hace bien situado para integrarse con sistemas disponibles comercialmente y, por lo tanto, pasar de la investigación al uso en el mundo real rápidamente.”

La Investigadora Principal de TMOS, Ann Roberts, también de la Universidad de Melbourne, dijo que las tecnologías de óptica plana tenían el potencial de transformar innumerables industrias.

“Los elementos ópticos tradicionales han sido durante mucho tiempo el cuello de botella que impide una mayor miniaturización de los dispositivos. La capacidad de reemplazar o complementar los elementos ópticos tradicionales con óptica de película delgada rompe ese cuello de botella.”

REFERENCIA

Reconfigurable image processing metasurfaces with phase-change materials

Imagen: El sistema de sensores puede alternar rápidamente entre la detección de bordes -imagen del contorno de un objeto, como una fruta- y la extracción de información infrarroja detallada, sin necesidad de crear grandes volúmenes de datos ni de utilizar voluminosos procesadores externos. Fotografía: Lincoln Clark, Centro de Excelencia ARC para Sistemas Metaópticos Transformadores (TMOS)