Η πρόοδος στην τεχνητή νοημοσύνη και τα αυτόνομα συστήματα έχουν προκαλέσει αυξημένο ενδιαφέρον για τα συστήματα τεχνητής όρασης (AVS) τα τελευταία χρόνια. Η τεχνητή όραση επιτρέπει στις μηχανές να «βλέπουν», να ερμηνεύουν και να αντιδρούν στον κόσμο γύρω τους, όπως κάνουν οι άνθρωποι όταν ανταποκρινόμαστε σε μια κατάσταση που μπορούμε να δούμε να αλλάζει – για παράδειγμα ένα αυτοκίνητο που φρενάρει μπροστά μας κατά την οδήγηση.
Αυτά τα «μάτια μηχανής» καταγράφουν εικόνες από τον κόσμο γύρω τους χρησιμοποιώντας κάμερες και αισθητήρες. Στη συνέχεια, σύνθετοι υπολογιστικοί αλγόριθμοι επεξεργάζονται αυτές τις εικόνες, επιτρέποντας στις μηχανές να αναλύουν το περιβάλλον τους σε πραγματικό χρόνο και να παρέχουν απάντηση σε τυχόν αλλαγές ή απειλές (ανάλογα με την προβλεπόμενη εφαρμογή τους).
Τα AVS έχουν χρησιμοποιηθεί σε πολλούς τομείς, όπως η αναγνώριση προσώπου, τα αυτόνομα οχήματα και η οπτική προσθετική (τεχνητά μάτια). Τα AVS για αυτόνομα οχήματα και εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας έχουν καθιερωθεί. Ωστόσο, η πολύπλοκη φύση του ανθρώπινου σώματος καθιστά την οπτική προσθετική πιο δύσκολη, επειδή τα υπερσύγχρονα AVS δεν διαθέτουν το ίδιο επίπεδο πολυλειτουργικότητας και αυτορρύθμισης με τα βιολογικά αντίστοιχα που μιμούνται.
Πολλά AVS που χρησιμοποιούνται σήμερα απαιτούν πολλά εξαρτήματα για να λειτουργήσουν – δεν υπάρχουν φωτοδεκτικές συσκευές που να μπορούν να εκτελούν πολλαπλές λειτουργίες. Αυτό σημαίνει ότι πολλά από τα σχέδια είναι πιο περίπλοκα από ό,τι θα έπρεπε, καθιστώντας τα λιγότερο εμπορικά εφικτά και δυσκολότερα στην κατασκευή τους. Χάνλιν Γουάνγκ, Yunqi Liu και συναδέλφους στο Κινεζική Ακαδημία Επιστημών χρησιμοποιούν τώρα νανοσυμπλέγματα για να δημιουργήσουν πολυλειτουργικούς φωτοϋποδοχείς για βιολογικά προσθετικά, αναφέροντας τα ευρήματά τους σε Nature Communications.
Εμπνευσμένο από τις γαρίδες mantis
Το οπτικό σύστημα μιας γαρίδας mantis χρησιμοποιεί 16 φωτοϋποδοχείς για την εκτέλεση πολλαπλών εργασιών ταυτόχρονα, συμπεριλαμβανομένης της αναγνώρισης χρώματος, της προσαρμοστικής όρασης και της αντίληψης του κυκλικά πολωμένου φωτός. Με τη φύση συχνά να μπορεί να κάνει πράγματα που οι επιστήμονες θα μπορούσαν μόνο να ονειρευτούν να επιτύχουν σε συνθετικό επίπεδο, η βιομιμητία έχει γίνει μια δημοφιλής προσέγγιση. Και καθώς οι γαρίδες mantis έχουν πολλά επιθυμητά χαρακτηριστικά στους φυσικούς φωτοϋποδοχείς τους, οι ερευνητές προσπάθησαν να μιμηθούν τις ιδιότητές τους τεχνητά χρησιμοποιώντας νανοσυμπλέγματα.
Τα νανοσυμπλέγματα είναι άτομα μετάλλων που συνδέονται με προστατευτικούς συνδέτες. Αυτή είναι μια προσαρμοσμένη προσέγγιση που οδηγεί σε συντονίσιμες φυσικές ιδιότητες, όπως διακριτά επίπεδα ενέργειας και μεγάλα κενά ζώνης λόγω των επιδράσεων κβαντικού μεγέθους. Τα νανοσυμπλέγματα προσφέρουν επίσης εξαιρετική μετατροπή φωτονίου σε ηλεκτρόνιο, καθιστώντας τα μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση για τη δημιουργία συσκευών τεχνητών φωτοϋποδοχέων.
«Τα νανοσυμπλέγματα θεωρούνται τα υλικά επόμενης γενιάς για τη συνέχιση του νόμου του Μουρ», λέει ο Wang. Κόσμος Φυσικής. «Ωστόσο, βασικά επιστημονικά ζητήματα όπως η αναπαραγώγιμη κατασκευή συσκευών που βασίζονται σε νανοσυμπλέγματα και η φωτοηλεκτρική συμπεριφορά έχουν παραμείνει ασαφή και ανεξερεύνητα».
Ένας τεχνητός φωτοϋποδοχέας νανοσυμπλέγματος
Εμπνευσμένοι από τις γαρίδες mantis, ο Wang και οι συνεργάτες του δημιούργησαν φωτοϋποδοχείς νανοσυμπλέγματος και τους χρησιμοποίησαν ως συμπαγές, πολλαπλών εργασιών εξοπλισμό όρασης για βιολογικά AVS. «Σε αυτή την έρευνα, παρουσιάζουμε τεχνητούς φωτοϋποδοχείς ενσωματωμένους σε νανοσύστημα που συνδυάζουν την ικανότητα φωτοπροσαρμογής και κυκλικής πολωμένης όρασης φωτός», εξηγεί ο Wang.
Για να δημιουργήσει το AVS, η ομάδα κατασκεύασε μια συστοιχία φωτοϋποδοχέων νανοσυστάδας σε κλίμακα γκοφρέτας βασισμένη σε μια ετεροδομή από χειρόμορφα νανοσυμπλέγματα αργύρου και έναν οργανικό ημιαγωγό (πεντακένιο). Η φύση πυρήνα-κέλυφος των νανοσυμπλεγμάτων τους επιτρέπει να λειτουργούν ως δεξαμενή φορτίου στον αισθητήρα για να συντονίζουν τα επίπεδα αγωγιμότητας των τεχνητών φωτοϋποδοχέων μέσω ενός μηχανισμού βαλβίδας φωτός. Αυτό επιτρέπει στο σύστημα φωτοϋποδοχέων να προσδιορίζει τόσο το μήκος κύματος όσο και την ένταση των προσπίπτοντων φωτονίων.
Όταν διασυνδέεται με το οργανικό υλικό ημιαγωγών στη συστοιχία, λαμβάνει χώρα μια διαδικασία μεταφοράς φορτίου με τη βοήθεια συνδέτη στη διεπαφή νανοσυμπλέγματος. Οι προστατευτικοί συνδέτες στη δομή πυρήνα-κελύφους παρέχουν μια οδό μεταγωγής που συνδέει τα νανοσυμπλέγματα με τον οργανικό ημιαγωγό. Αυτή η διαδικασία κλίμακας femtosecond διευκολύνει την οπτική προσαρμογή που εξαρτάται από το φάσμα και την αναγνώριση κυκλικής πόλωσης.
«Έχουμε ασχοληθεί με την κατασκευή σε κλίμακα γκοφρέτας μιας ομοιόμορφης διεπαφής μεταξύ ενός φιλμ νανοσυμπλέγματος και οργανικών ημιαγωγών, παρέχοντας ένα θεμελιώδες στοιχείο για την ενσωμάτωση υψηλής πυκνότητας τεχνητών φωτοϋποδοχέων με ίχνη νανοκλίμακας», λέει ο Wang.
Η διεπαφή μεταξύ του νανοσυμπλέγματος και του οργανικού ημιαγωγού παρέχει την προσαρμοστική όραση, επιτρέποντας την επίτευξη πολλαπλών λειτουργιών με συντονισμένη κινητική. Επιπλέον, πληροφορίες κυκλικής πόλωσης μπορούν να ληφθούν λόγω του ότι τα νανοσυμπλέγματα είναι χειρόμορφα. Ως εκ τούτου, η ομάδα έχει αναπτύξει νανοσυμπλέγματα που συνδυάζουν την έγχρωμη όραση, τη φωτοπροσαρμογή και την όραση κυκλικής πόλωσης σε ένα ενιαίο σύστημα φωτοανιχνευτή.
Οι γαρίδες Mantis εμπνέουν υπερφασματικό και πολωσιμετρικό αισθητήρα φωτός
Αυτή η ικανότητα συνδυασμού πολλαπλών λειτουργιών όρασης σε ένα ενιαίο σύστημα για εφαρμογές βιολογικής αναγνώρισης είναι ένα δύσκολο επίτευγμα, καθώς οι προηγούμενες προσεγγίσεις έπρεπε να βασίζονται σε πολλαπλά εξαρτήματα για να κάνουν την ίδια δουλειά με αυτό το ενιαίο οπτικο-ηλεκτρονικό σύστημα. Η προσέγγιση της ομάδας θα μπορούσε να βοηθήσει στη δημιουργία απλούστερου και πιο ισχυρού υλικού όρασης για νευρομορφικές συσκευές και υλικό τεχνητής νοημοσύνης που σχετίζεται με τη βιολογική όραση.
«Οι τεχνητοί φωτοϋποδοχείς νανοσυμπλέγματος εκτελούν πολλαπλές οπτικές λειτουργίες all-in-one σε ένα μόνο κύτταρο μονάδας», λέει ο Hanlin. «Μεταξύ αυτών, η φωτοπροσαρμογή μπορεί να ενεργοποιηθεί και να πραγματοποιηθεί εντός 0.45 s, με την ακρίβειά της να φτάνει το 99.75%. Αυτή είναι η υψηλότερη απόδοση σε σύγκριση με την υπάρχουσα βιβλιογραφία και ξεπερνά τα ανθρώπινα οπτικά συστήματα – που είναι περίπου 1 λεπτό».
Στη συνέχεια, οι ερευνητές στοχεύουν να αυξήσουν τους ρυθμούς μεταγωγής φωτοπροσαρμογής πέραν των 0.45 s στη διεπαφή νανοσυμπλέγματος/οργανικού ημιαγωγού. «Στο μέλλον, θα διερευνήσουμε τα χαρακτηριστικά της δυναμικής μεταφοράς φορτίου και θα παράγουμε ταχύτερα νευρομορφικά συστήματα ενσωματωμένα σε νανοσύστημα», καταλήγει ο Wang.
- SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
- PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
- πηγή: https://physicsworld.com/a/shrimp-inspired-nanoclusters-enable-multifunctional-artificial-vision-systems/
