El hombre de los seis mil millones de dólares: visión. ¿Tenemos la tecnología?

El ojo humano es un sistema óptico de difracción limitada y, si bien tiene una resolución típica de 60 segundos de arco, debería tener una resolución teórica de tan solo 20 segundos de arco en función de su apertura: la apertura del ojo humano es el diámetro de la pupila.

Es posible crear una matriz de sensores que pueda muestrear una imagen en el límite de esta resolución. Mejorar la resolución del sensor más allá de los límites de la difracción no proporcionará una mayor claridad, simplemente tomará muestras adicionales de un desenfoque.

Como ejemplo, imagina que tenemos una fuente puntual de luz. La óptica enfoca esta luz en un sensor. Los límites de difracción significan que para un conjunto dado de ópticas, la imagen enfocada de la fuente puntual tiene un tamaño mínimo que puede ser mayor que el tamaño de la fuente de luz. Al agregar píxeles a un sensor, simplemente suavizamos los bordes de este punto borroso.

No es necesario disponer de una matriz de sensores con una resolución significativamente superior a los límites de difracción de los elementos de enfoque.

Entonces, dados los límites teóricos de la óptica que podemos adaptar a un globo ocular humano de aspecto natural , la mejor agudeza visual que podemos esperar en el espectro de luz visible de dicho instrumento es 20/6,67 o 6/2.

Si estamos preparados para aceptar una apariencia antinatural, y en lugar de un diámetro de pupila de alrededor de 4 mm, tuviéramos un diámetro de pupila de 20 mm, esto mejoraría el poder de resolución a alrededor de 9 segundos de arco, dando una agudeza visual de 20/3 o 6/. 0.9. Con un tamaño orbital de alrededor de 24 mm , no se puede esperar que se pueda lograr una apertura máxima mucho mayor que 20 mm.

Existe la posibilidad de que un globo ocular artificial pueda limitar deliberadamente su apertura para presentar una apariencia socialmente aceptable, al tiempo que tiene la capacidad de abrir su apertura más allá de lo que normalmente se espera de un ojo humano para aumentar la resolución.

En cuanto a la cuestión de la visión nocturna, debería ser posible construir la lente de este ojo artificial de tal manera que permita la transmisión de luz infrarroja y, a partir de ahí, podría diseñarse el sensor óptico para poder capturar datos infrarrojos.

Sin embargo, los límites de difracción dependen de la longitud de onda de la luz en cuestión, y la resolución de la luz del infrarrojo cercano puede ser de 120 segundos de arco, lo que da una visión de 20/40 o 6/12 en el espectro del infrarrojo cercano. Abrir la apertura a 10 mm podría dar una resolución de 80 segundos de arco, o 20/26,67 o 6/8 de visión. Abrir los 20 mm podría dar una resolución de 60 segundos de arco, lo que daría una visión de 20/20 o 6/6 en el infrarrojo cercano.

También hay otras consideraciones para la visión nocturna. En condiciones de poca luz, un sensor electrónico es capaz de promediar el tiempo ponderado de los fotones entrantes. Dado que la frecuencia de fusión del parpadeo del ojo humano es de 15 a 60 Hz, y el sensor recibiría fotones continuamente, al aumentar la tasa de muestreo y luego usar técnicas de promedio, se puede generar una imagen de luz visible con la frecuencia requerida con un mayor brillo, aunque a costa de un mayor ruido óptico.

Un ojo artificial también podría permitir el zoom óptico, aunque dado que la difracción limita la resolución de un sistema de este tamaño, el zoom permitiría, en el mejor de los casos, un zoom de 3x en relación con la resolución óptica humana normal, y dado que este ojo ya está funcionando a ese nivel, y nosotros están efectivamente moviendo la mano fuera de los límites del cerebro para procesar los datos adicionales; esto sería innecesario.

Dado que los límites de difracción en este sistema son relativamente grandes, el chip del sensor puede incorporar varios sensores en un área representada por un campo de visión de 20 segundos de arco. Esto incluiría los habituales fotodetectores rojo, verde y azul, pero también podría incluir un fotodetector sensible al infrarrojo, posiblemente un fotodetector sensible al ultravioleta, así como detectores de polarización.

¿Por qué detectores de polarización? Estos permitirían, como mínimo, el filtrado selectivo del deslumbramiento óptico y los reflejos de la luz solar, proporcionando una mejor visión en condiciones de mucha luz. Luego también estaría la capacidad de ver tensiones en varios materiales... la lista continúa, y sospecho que solo una persona con esos ojos podría llegar a una lista completa de las ventajas.

Haré una versión ligera de ciencia ya que odio ese tipo de escritura, pero esto debería ser útil ya que en mi humilde opinión cubro algunos puntos importantes.

No es un problema

Las especificaciones para el ojo humano en realidad no son tan buenas, con pocas excepciones, volveré más adelante. Simplemente está conectado a lo que probablemente sea el mejor sistema visual de procesamiento posterior y agregación de datos que conocemos. En serio, tu cerebro es totalmente asombroso procesando datos visuales. Las ilusiones ópticas se basan en la amplia brecha entre lo que realmente vemos y lo que el cerebro interpreta que estamos viendo y una vez pasé unos días leyendo sobre el tema y me impresionó continuamente la cantidad y la eficiencia del procesamiento en curso.

Usa el sistema, no lo reemplaces

Dado que la parte de procesamiento del sistema visual es muy buena y probablemente permanecerá más allá de nuestra capacidad de mejora durante algún tiempo y, al menos, no se puede mejorar sin requerir un largo proceso de reaprendizaje que probablemente solo funcionaría en niños o personas con problemas médicos. aumento de la plasticidad cerebral con todos sus problemas potenciales... Simplemente acceda a la ruta de datos de ancho de banda relativamente bajo que ya existe y agregue algo de control encima.

Dado que presumiblemente tiene un enlace cerebral, el sistema podrá saber cuándo desea enfocarse en los detalles y cuándo desea ampliar el enfoque. Puede vincular eso a un zoom digital o incluso óptico. El ojo ya puede ajustar un poco el enfoque, por lo que extenderlo debería ser lo suficientemente simple y no confundir demasiado al cerebro.

Del mismo modo, la ya existente, y en realidad bastante buena, capacidad de adaptarse a la iluminación se puede potenciar simplemente haciendo que funcione más rápido y extendiendo el extremo inferior a la amplificación real de la luz. Pero acelerar la adaptación es el punto principal, el ojo es sensible al deslumbramiento y la adaptación es en realidad un proceso físico que tiene un retraso notable. (Aunque como se dijo, los humanos con su adaptación a los bosques con lugares brillantes iluminados por el sol y sombras profundas en realidad ya son bastante buenos).

Profundidad de bits

El RGB actual de 8 bits realmente no es lo suficientemente bueno. Podemos percibir algo así como cuatro mil niveles de luminosidad, IIRC. Esto significa que engañar al ojo para que piense que una imagen es real y tiene gradientes continuos requiere 12 bits de profundidad de color. En la práctica, probablemente se necesitarían canales de color de 16 bits para imitar también la capacidad de adaptación a la luz. Por lo tanto, la cámara necesitaría tener aproximadamente el doble de profundidad de color que las que se usan en el mercado masivo. No veo ningún problema en construir esa cámara para 2050.

LiDaR

Se menciona la capacidad con poca luz posiblemente con infrarrojo activo. En su lugar, recomendaría usar RGB LiDar, que permitiría una visión de profundidad muy precisa y produciría una imagen a todo color. Esencialmente, ambos ojos incorporarían LED RGB o fuentes de luz rápidas y eficientes similares que luego producirían pulsos dobles muy cortos de luz monocromática, un ojo y un color a la vez, con pausas mucho más largas entre los pulsos.

Si bien la luz general producida sería baja, los ojos podrían optimizarse para detectar el brillo si se produjeran reflejos breves y usarlos para producir una imagen a todo color independientemente de la luz ambiental. Como efecto secundario, se produciría una percepción muy precisa de la posición y el movimiento en 3D que posiblemente podría alimentarse directamente a la parte del cerebro responsable de construir un modelo de nuestro entorno. Esto produciría una conciencia espacial superior dentro del rango del LiDaR.

Hazlo extensible

Lo que puede caber dentro del ojo es limitado. No se pueden adaptar ópticas avanzadas para la mira telescópica sin compromisos, la amplificación de la luz más allá del "nivel de gato" y los termógrafos, infrarrojos activos y ladar/radar con alcance real requieren refrigeración y potencia que los hacen poco prácticos para su implantación.

¡Pero aún puedes tenerlos! Solo tiene un accesorio externo con su propia fuente de alimentación que se conecta a la frente, al casco o al hombro. Para algunos usos es posible llevarlos en la mano, para infrarrojos activos una linterna sería una solución bastante sensata. Incluso se puede utilizar un trípode en casos extremos. Solo tenga un protocolo inalámbrico de baja potencia y corto alcance y suficiente potencia de procesamiento para que se puedan integrar los datos adicionales.

Un ejemplo clásico sería el visor telescópico y amplificador de luz adjunto a un rifle de francotirador. Sus ojos marcarían directamente el punto de mira en su campo de visión sin tener que mirar a través de una mira telescópica. Y si enfocaste a la distancia, tu visión pasaría sin problemas, sin una transición perceptible, de la visión cercana y amplia proporcionada por los ojos a la visión estrecha pero de larga distancia del visor. Los datos estarían simplemente integrados y disponibles para su uso. Tales sistemas de armas inteligentes son la norma en entornos cyberpunk.

Sí, tenemos la tecnología (para A) o tenemos suficiente conocimiento para invertir en diseñar la tecnología (para B).

R : Recuerdo una presentación en YouTube sobre la fabricación de un dispositivo que se coloca dentro de la retina y estimula los nervios. ¡La caja está hecha de diamante, con cables conductores y una caja no conductora, todo de un solo material! (El diamante es un semiconductor como el silicio).

Funciona y estaba en prototipo. Puede tratar las dos principales causas de ceguera, que afectan a los conos pero dejan los nervios.

Entonces, enloquezca, con cualquier tipo de sensor que no se limite al rango de visión humana y al procesamiento de imágenes, alimente la retina como si estuviera viendo una pantalla.

B : Hace mucho tiempo, recuerdo haber leído que el protocolo de comunicación utilizado para que las capas de nervios de la retina se depositen en el nervio óptico ha sido modificado mediante ingeniería inversa. Es posible hacer un ojo biónico a la manera de Steve Austin (televisión, no solo libro) y enchufarlo. Si pudiéramos conectar los nervios individuales en el paquete, si pudiéramos unirlos de manera permanente y confiable. manera. Ese es el cuello de botella de todas las prótesis enervadas, y si pudiéramos hacer eso, primero tendríamos manos y piernas robóticas.

Es bastante fácil hacer plausible la conexión nerviosa en la ficción. ¡La mayoría de la gente no entiende por qué no es ya una cosa ahora! Parece simple , y buscar algunos experimentos en la prensa popular te dará ideas sobre qué escribir: simplemente finge que una de esas ideas funcionó o que los problemas se resolvieron.