Fortschritte in der künstlichen Intelligenz und autonomen Systemen haben in den letzten Jahren ein zunehmendes Interesse an künstlichen Sehsystemen (Artificial Vision Systems, AVS) geweckt. Künstliches Sehen ermöglicht es Maschinen, die Welt um sie herum zu „sehen“, zu interpretieren und darauf zu reagieren, ähnlich wie Menschen es tun, wenn wir auf eine Situation reagieren, die sich für uns verändert – zum Beispiel ein Auto, das beim Fahren vor uns bremst.
Diese „Maschinenaugen“ erfassen mithilfe von Kameras und Sensoren Bilder aus der Welt um sie herum. Komplexe Rechenalgorithmen verarbeiten diese Bilder dann und ermöglichen es den Maschinen, ihre Umgebung in Echtzeit zu analysieren und auf Veränderungen oder Bedrohungen zu reagieren (je nach beabsichtigtem Einsatzzweck).
AVS werden in vielen Bereichen eingesetzt, darunter Gesichtserkennung, autonome Fahrzeuge und visuelle Prothesen (künstliche Augen). AVS für autonome Fahrzeuge und High-Tech-Anwendungen haben sich gut etabliert. Die komplexe Natur des menschlichen Körpers macht die visuelle Prothetik jedoch zu einer größeren Herausforderung, da moderne AVS nicht über das gleiche Maß an Multifunktionalität und Selbstregulierung verfügen wie die biologischen Gegenstücke, die sie nachahmen.
Viele heutzutage verwendete AVS erfordern mehrere Komponenten, um zu funktionieren – es gibt keine photorezeptiven Geräte, die mehrere Funktionen ausführen können. Das bedeutet, dass viele Designs komplexer sind, als sie sein sollten, was sie kommerziell weniger umsetzbar und schwieriger herzustellen macht. Hanlin Wang, Yunqi Liu und Kollegen an der Chinesische Akademie der Wissenschaften nutzen nun Nanocluster, um multifunktionale Photorezeptoren für biologische Prothesen zu schaffen, und berichten über ihre Ergebnisse in Nature Communications veröffentlicht .
Inspiriert von der Fangschreckenkrebse
Das visuelle System einer Fangschreckenkrebse nutzt 16 Fotorezeptoren, um mehrere Aufgaben gleichzeitig auszuführen, darunter Farberkennung, adaptives Sehen und Wahrnehmung von zirkular polarisiertem Licht. Da die Natur oft in der Lage ist, Dinge zu tun, von denen Wissenschaftler auf synthetischer Ebene nur träumen konnten, ist Biomimikry zu einem beliebten Ansatz geworden. Und da Fangschreckenkrebse viele wünschenswerte Eigenschaften in ihren natürlichen Photorezeptoren aufweisen, haben Forscher versucht, ihre Eigenschaften mithilfe von Nanoclustern künstlich nachzuahmen.
Nanocluster sind Metallatome, die an Schutzliganden gebunden sind. Dies ist ein maßgeschneiderter Ansatz, der zu einstellbaren physikalischen Eigenschaften führt, wie etwa diskreten Energieniveaus und beträchtlichen Bandlücken aufgrund von Quantengrößeneffekten. Nanocluster bieten außerdem eine hervorragende Umwandlung von Photonen in Elektronen, was sie zu einem vielversprechenden Ansatz für die Herstellung künstlicher Photorezeptorgeräte macht.
„Nanocluster gelten als Materialien der nächsten Generation für die Fortsetzung des Mooreschen Gesetzes“, sagt Wang Physik-Welt. „Allerdings sind grundlegende wissenschaftliche Fragen wie die reproduzierbare Herstellung nanoclusterbasierter Geräte und das photoelektrische Verhalten weiterhin unklar und unerforscht.“
Ein künstlicher Nanocluster-Photorezeptor
Inspiriert durch die Fangschreckenkrebse entwickelten Wang und Kollegen Nanocluster-Fotorezeptoren und nutzten sie als kompakte, multifunktionale Vision-Hardware für biologische AVS. „In dieser Forschung stellen wir in Nanoclustern eingebettete künstliche Photorezeptoren vor, die die Fähigkeit der Photoadaptation und des Sehens mit zirkular polarisiertem Licht kombinieren“, erklärt Wang.
Um das AVS zu schaffen, stellte das Team ein Nanocluster-Photorezeptor-Array im Wafer-Maßstab her, das auf einer Heterostruktur aus chiralen Silbernanoclustern und einem organischen Halbleiter (Pentacen) basierte. Die Kern-Schale-Natur der Nanocluster ermöglicht es ihnen, als Ladungsreservoir im Sensor zu fungieren, um die Leitfähigkeitsniveaus der künstlichen Photorezeptoren über einen Lichtventilmechanismus anzupassen. Dadurch kann das Photorezeptorsystem sowohl die Wellenlänge als auch die Intensität der einfallenden Photonen bestimmen.
Bei der Verbindung mit dem organischen Halbleitermaterial auf dem Array findet an der Nanocluster-Grenzfläche ein ligandenunterstützter Ladungsübertragungsprozess statt. Die Schutzliganden in der Kern-Schale-Struktur stellen einen Transduktionsweg bereit, der die Nanocluster mit dem organischen Halbleiter verbindet. Dieser Prozess im Femtosekundenbereich erleichtert sowohl die spektralabhängige visuelle Anpassung als auch die Erkennung der Zirkularpolarisation.
„Wir haben uns mit der Herstellung einer einheitlichen Schnittstelle zwischen einem Nanoclusterfilm und organischen Halbleitern im Wafermaßstab befasst und damit eine Grundlage für die hochdichte Integration künstlicher Photorezeptoren mit nanoskaligen Fußabdrücken geschaffen“, sagt Wang.
Die Schnittstelle zwischen dem Nanocluster und dem organischen Halbleiter sorgt für die adaptive Vision und ermöglicht die Erzielung mehrerer Funktionen mit abstimmbarer Kinetik. Darüber hinaus können aufgrund der Chiralität der Nanocluster Informationen zur Zirkularpolarisation gewonnen werden. Daher hat das Team Nanocluster entwickelt, die Farbsehen, Photoadaption und Zirkularpolarisationssehen in einem einzigen Fotodetektorsystem kombinieren.
Fangschreckenkrebse inspirieren hyperspektralen und polarimetrischen Lichtsensor
Diese Fähigkeit, mehrere Sehfunktionen in einem einzigen System für biologische Erkennungsanwendungen zu kombinieren, ist eine schwierige Aufgabe, da frühere Ansätze auf mehrere Komponenten angewiesen waren, um die gleiche Aufgabe wie dieses einzelne optoelektronische System zu erfüllen. Der Ansatz des Teams könnte dazu beitragen, einfachere und robustere Vision-Hardware für neuromorphe Geräte und KI-Hardware für biologische Vision zu entwickeln.
„Künstliche Nanocluster-Photorezeptoren erfüllen in einer einzigen Elementarzelle mehrere visuelle Funktionen in einem“, sagt Hanlin. „Dabei kann die Photoadaptation innerhalb von 0.45 s ausgelöst und durchgeführt werden, wobei die Genauigkeit 99.75 % erreicht. Dies ist die höchste Leistung im Vergleich zur vorhandenen Literatur und übertrifft die des menschlichen visuellen Systems – nämlich etwa 1 Minute.“
Als nächstes wollen die Forscher die Schaltgeschwindigkeiten der Photoadaptation an der Schnittstelle zwischen Nanocluster und organischem Halbleiter auf über 0.45 s erhöhen. „In Zukunft werden wir die Eigenschaften der Ladungstransferdynamik untersuchen und schnellere, in Nanocluster eingebettete neuromorphe Systeme herstellen“, schließt Wang.
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- Quelle: https://physicsworld.com/a/shrimp-inspired-nanoclusters-enable-multifunctional-artificial-vision-systems/
