Les progrès de l’intelligence artificielle et des systèmes autonomes ont suscité un intérêt croissant pour les systèmes de vision artificielle (AVS) ces dernières années. La vision artificielle permet aux machines de « voir », d’interpréter et de réagir au monde qui les entoure, un peu comme le font les humains lorsque nous réagissons à une situation que nous pouvons voir changer – une voiture freinant devant nous alors qu’elle conduit, par exemple.
Ces « yeux machines » capturent des images du monde qui les entoure à l’aide de caméras et de capteurs. Des algorithmes informatiques complexes traitent ensuite ces images, permettant aux machines d'analyser leur environnement en temps réel et de réagir à tout changement ou menace (en fonction de l'application prévue).
Les AVS ont été utilisés dans de nombreux domaines, notamment la reconnaissance faciale, les véhicules autonomes et les prothèses visuelles (yeux artificiels). Les AVS pour les véhicules autonomes et les applications de haute technologie sont désormais bien établis. Cependant, la nature complexe du corps humain rend les prothèses visuelles plus difficiles, car les AVS de pointe ne possèdent pas le même niveau de multifonctionnalité et d’autorégulation que leurs homologues biologiques qu’ils imitent.
De nombreux AVS utilisés aujourd'hui nécessitent plusieurs composants pour fonctionner – il n'existe aucun dispositif photorécepteur capable d'exécuter plusieurs fonctions. Cela signifie que de nombreuses conceptions sont plus complexes qu’elles ne devraient l’être, ce qui les rend moins réalisables commercialement et plus difficiles à fabriquer. Hanlin Wang, Yun Qi Liu et collègues du Académie chinoise des sciences utilisent désormais des nanoclusters pour créer des photorécepteurs multifonctionnels pour les prothèses biologiques, rapportant leurs découvertes dans Communications Nature.
Inspiré par la crevette mante
Le système visuel d'une crevette-mante utilise 16 photorécepteurs pour effectuer plusieurs tâches simultanément, notamment la reconnaissance des couleurs, la vision adaptative et la perception de la lumière polarisée circulairement. La nature étant souvent capable de faire des choses que les scientifiques ne pourraient que rêver de réaliser à un niveau synthétique, le biomimétisme est devenu une approche populaire. Et comme les crevettes-mantes possèdent de nombreuses caractéristiques souhaitables dans leurs photorécepteurs naturels, les chercheurs ont tenté d'imiter artificiellement leurs propriétés à l'aide de nanoclusters.
Les nanoclusters sont des atomes métalliques attachés à des ligands protecteurs. Il s’agit d’une approche personnalisable qui donne naissance à des propriétés physiques ajustables, telles que des niveaux d’énergie discrets et des bandes interdites importantes dues aux effets de taille quantique. Les nanoclusters offrent également une excellente conversion photon-électron, ce qui en fait une approche prometteuse pour créer des dispositifs photorécepteurs artificiels.
"Les nanoclusters sont considérés comme les matériaux de nouvelle génération pour la continuation de la loi de Moore", explique Wang. Monde de la physique. "Cependant, les questions scientifiques fondamentales telles que la fabrication reproductible de dispositifs basés sur des nanoclusters et le comportement photoélectrique sont restées obscures et inexplorées."
Un photorécepteur artificiel à nanoclusters
Inspirés par la crevette mante, Wang et ses collègues ont créé des photorécepteurs nanoclusters et les ont utilisés comme matériel de vision compact et multitâche pour les AVS biologiques. "Dans cette recherche, nous présentons des photorécepteurs artificiels intégrés à des nanoclusters qui combinent la capacité de photoadaptation et de vision par lumière polarisée circulaire", explique Wang.
Pour créer l’AVS, l’équipe a fabriqué un réseau de photorécepteurs à nanoclusters à l’échelle d’une tranche basé sur une hétérostructure de nanoclusters d’argent chiraux et un semi-conducteur organique (pentacène). La nature noyau-coquille des nanoclusters leur permet d'agir comme un réservoir de charge dans le capteur pour régler les niveaux de conductance des photorécepteurs artificiels via un mécanisme de modulateur de lumière. Cela permet au système photorécepteur de déterminer à la fois la longueur d’onde et l’intensité des photons incidents.
Lorsqu'il est interfacé avec le matériau semi-conducteur organique sur le réseau, un processus de transfert de charge assisté par un ligand a lieu à l'interface du nanocluster. Les ligands protecteurs de la structure cœur-coquille fournissent une voie de transduction qui relie les nanoclusters au semi-conducteur organique. Ce processus à l'échelle femtoseconde facilite à la fois l'adaptation visuelle dépendante du spectre et la reconnaissance de la polarisation circulaire.
"Nous avons abordé la fabrication à l'échelle d'une tranche d'une interface uniforme entre un film de nanocluster et des semi-conducteurs organiques, fournissant ainsi une base fondamentale pour l'intégration à haute densité de photorécepteurs artificiels avec des empreintes à l'échelle nanométrique", explique Wang.
L'interface entre le nanocluster et le semi-conducteur organique fournit une vision adaptative, permettant de réaliser plusieurs fonctions avec une cinétique réglable. De plus, des informations sur la polarisation circulaire peuvent être obtenues grâce à la chiralité des nanoclusters. À ce titre, l’équipe a développé des nanoclusters qui combinent la vision des couleurs, la photoadaptation et la vision en polarisation circulaire dans un seul système de photodétecteur.
La crevette mante inspire un capteur de lumière hyperspectral et polarimétrique
Cette capacité à combiner plusieurs fonctions de vision en un seul système pour les applications de reconnaissance biologique est un exploit difficile à réaliser, les approches précédentes devant s'appuyer sur plusieurs composants pour effectuer le même travail que ce système optoélectronique unique. L'approche de l'équipe pourrait aider à construire un matériel de vision plus simple et plus robuste pour les dispositifs neuromorphiques et le matériel d'IA lié à la vision biologique.
"Les photorécepteurs artificiels de nanocluster remplissent de multiples fonctions visuelles tout-en-un dans une seule cellule unitaire", explique Hanlin. « Parmi eux, la photoadaptation peut être déclenchée et réalisée en 0.45 s, avec une précision atteignant 99.75 %. Il s’agit de la performance la plus élevée par rapport à la littérature existante et surpasse les systèmes visuels humains – soit environ 1 minute ».
Ensuite, les chercheurs visent à augmenter les taux de commutation de photoadaptation au-delà de 0.45 s à l’interface nanocluster/semi-conducteur organique. "À l'avenir, nous étudierons les caractéristiques de la dynamique de transfert de charge et produirons des systèmes neuromorphiques intégrés à des nanoclusters plus rapides", conclut Wang.
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- La source: https://physicsworld.com/a/shrimp-inspired-nanoclusters-enable-multifunctional-artificial-vision-systems/
