人工知能と自律システムの進歩により、近年、人工視覚システム (AVS) への関心が高まっています。人工視覚により、機械は周囲の世界を「見て」、解釈し、反応することができます。これは、人間が変化する状況、たとえば、運転中に目の前でブレーキをかける車に対応するときと同じです。
これらの「機械の目」は、カメラとセンサーを使用して周囲の世界から画像をキャプチャします。次に、複雑なコンピューティング アルゴリズムがこれらの画像を処理し、マシンが周囲の環境をリアルタイムで分析し、あらゆる変化や脅威に対応できるようにします (目的の用途に応じて)。
AVS は、顔認識、自動運転車、視覚補綴物 (人工目) など、多くの分野で使用されています。自動運転車やハイテク アプリケーション向けの AVS は確立されています。しかし、人体の複雑な性質により、視覚補綴はより困難なものとなっています。それは、最先端の AVS が模倣する生物学的対応物と同じレベルの多機能性と自己制御を備えていないためです。
現在使用されている AVS の多くは、機能するためにいくつかのコンポーネントを必要とします。複数の機能を実行できる受光デバイスはありません。これは、多くの設計が必要以上に複雑であるため、商業的に実現可能性が低く、製造が困難であることを意味します。 ワン・ハンリン, ユンチー・リウ との同僚 中国科学院 彼らは現在、ナノクラスターを使用して生体補綴物用の多機能光受容体を作成しており、その発見を次の論文で報告している。 ネイチャー·コミュニケーションズ.
シャコからインスピレーションを受けて
シャコの視覚系は 16 個の光受容体を使用して、色の認識、適応視覚、円偏光の知覚などの複数のタスクを同時に実行します。科学者が合成レベルで実現することを夢見ていたことを自然は実現できることが多く、バイオミミクリは一般的なアプローチとなっています。そして、シャコは自然の光受容体に多くの望ましい形質を持っているため、研究者はナノクラスターを使用してシャコの特性を人工的に模倣することを試みてきました。
ナノクラスターは、保護リガンドに結合した金属原子です。これは、量子サイズ効果による離散エネルギー レベルやかなりのバンドギャップなどの調整可能な物理的特性を生み出す、調整可能なアプローチです。ナノクラスターは優れた光子から電子への変換も提供するため、人工光受容体デバイスを作成するための有望なアプローチとなっています。
「ナノクラスターは、ムーアの法則を継承する次世代の素材と考えられています」とワン氏は語る 物理学の世界。 「しかし、ナノクラスターベースのデバイスの再現可能な製造や光電挙動などの基本的な科学的問題は依然として不明瞭で未解明なままです。」
人工ナノクラスター光受容体
シャコからインスピレーションを受けて、Wang らはナノクラスター光受容体を作成し、それを生物学的 AVS 用のコンパクトなマルチタスク視覚ハードウェアとして使用しました。 「この研究では、光適応能力と円偏光視覚の能力を組み合わせたナノクラスター埋め込み人工光受容体を紹介します」とWang氏は説明する。
AVSを作成するために、研究チームはキラル銀ナノクラスターと有機半導体（ペンタセン）のヘテロ構造に基づいたウェハースケールのナノクラスター光受容体アレイを作製した。ナノクラスターのコアシェルの性質により、ナノクラスターはセンサー内の電荷リザーバーとして機能し、ライトバルブ機構を通じて人工光受容体のコンダクタンスレベルを調整することができます。これにより、光受容体システムは入射光子の波長と強度の両方を決定できるようになります。
アレイ上の有機半導体材料と接触すると、リガンド支援の電荷移動プロセスがナノクラスター界面で発生します。コアシェル構造内の保護リガンドは、ナノクラスターを有機半導体に結び付ける伝達経路を提供します。このフェムト秒スケールのプロセスにより、スペクトル依存の視覚順応と円偏光認識の両方が容易になります。
「私たちは、ナノクラスターフィルムと有機半導体の間の均一な界面のウェーハスケールの製造に取り組み、ナノスケールのフットプリントを持つ人工光受容体の高密度統合の基礎を提供しました」とWang氏は言います。
ナノクラスターと有機半導体の間のインターフェースは適応視覚を提供し、調整可能な反応速度で複数の機能を実現できるようにします。さらに、ナノクラスターがキラルであるため、円偏光情報を取得できます。そのため、チームは色覚、光順応、円偏光視覚を単一の光検出器システムに組み合わせたナノクラスターを開発しました。
シャコがハイパースペクトルおよび偏光センサーにインスピレーションを与える
複数の視覚機能を生物学的認識アプリケーション用の単一システムに統合するこの能力は、達成するのが困難な偉業であり、以前のアプローチでは、この単一の光電子システムと同じ仕事を行うために複数のコンポーネントに依存する必要がありました。チームのアプローチは、ニューロモーフィックデバイスや生物学的視覚関連の AI ハードウェア用の、よりシンプルで堅牢な視覚ハードウェアの構築に役立つ可能性があります。
「人工ナノクラスター光受容体は、単一の単位細胞内で複数の視覚機能をオールインワンで実行します」とハンリン氏は言います。 「その中で、光順応は 0.45 秒以内にトリガーされて実行され、その精度は 99.75% に達します。これは既存の文献と比較して最高のパフォーマンスであり、人間の視覚システム (約 1 分) を上回ります。」
次に研究者らは、ナノクラスター/有機半導体界面での光適応スイッチング速度を0.45秒を超えて増加させることを目指している。 「将来的には、電荷移動ダイナミクスの特性を研究し、より高速なナノクラスター埋め込みニューロモーフィック システムを生成する予定です」と Wang 氏は結論づけています。
- SEO を活用したコンテンツと PR 配信。 今日増幅されます。
- PlatoData.Network 垂直生成 Ai。 自分自身に力を与えましょう。 こちらからアクセスしてください。
- プラトアイストリーム。 Web3 インテリジェンス。 知識増幅。 こちらからアクセスしてください。
- プラトンESG。 カーボン、 クリーンテック、 エネルギー、 環境、 太陽、 廃棄物管理。 こちらからアクセスしてください。
- プラトンヘルス。 バイオテクノロジーと臨床試験のインテリジェンス。 こちらからアクセスしてください。
- 情報源： https://physicsworld.com/a/shrimp-inspired-nanoclusters-enable-multifunctional-artificial-vision-systems/
