최근 인공지능과 자율주행 시스템의 발전으로 인해 인공비전시스템(AVS)에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 인공 비전을 사용하면 기계가 주변 세계를 "보고" 해석하고 반응할 수 있습니다. 이는 인간이 변화하는 상황(예: 운전할 때 눈앞에서 브레이크를 밟는 자동차)에 반응할 때와 유사합니다.
이 "기계의 눈"은 카메라와 센서를 사용하여 주변 세계의 이미지를 캡처합니다. 그런 다음 복잡한 컴퓨팅 알고리즘이 이러한 이미지를 처리하여 기계가 주변 환경을 실시간으로 분석하고 변경 사항이나 위협에 대응할 수 있도록 합니다(의도한 응용 프로그램에 따라 다름).
AVS는 안면인식, 자율주행자동차, 시각보철(인공눈) 등 다양한 분야에서 활용돼 왔다. 자율주행차 및 하이테크 애플리케이션용 AVS는 이미 잘 확립되어 있습니다. 그러나 인체의 복잡한 특성으로 인해 시각 보철물이 더욱 어려워집니다. 왜냐하면 최첨단 AVS는 모방하는 생물학적 대응물과 동일한 수준의 다기능성 및 자기 조절 기능을 보유하지 않기 때문입니다.
오늘날 사용되는 많은 AVS는 작동하기 위해 여러 구성 요소가 필요합니다. 여러 기능을 수행할 수 있는 광수용 장치는 없습니다. 이는 많은 설계가 예상보다 더 복잡하여 상업적으로 실현 가능성이 낮고 제조하기가 더 어렵다는 것을 의미합니다. 왕한린, 리우 윤치 그리고 동료들 중국 과학 아카데미 현재 생물학적 보철물을 위한 다기능 광수용체를 만들기 위해 나노클러스터를 사용하고 있으며, 그 결과를 다음과 같이 보고하고 있습니다. 자연 통신.
사마귀 새우에서 영감을 받아
사마귀 새우의 시각 시스템은 16개의 광수용체를 사용하여 색상 인식, 적응 시각, 원형 편광 인식 등 여러 작업을 동시에 수행합니다. 과학자들이 합성 수준에서만 달성할 수 있는 꿈을 꿀 수 있는 일을 자연이 할 수 있는 경우가 많기 때문에 생체모방은 대중적인 접근 방식이 되었습니다. 그리고 사마귀 새우는 자연적인 광수용체에 바람직한 특성을 많이 가지고 있기 때문에 연구자들은 나노클러스터를 사용하여 인위적으로 특성을 모방하려고 시도했습니다.
나노클러스터는 보호 리간드에 부착된 금속 원자입니다. 이는 양자 크기 효과로 인한 개별 에너지 수준 및 상당한 밴드갭과 같은 조정 가능한 물리적 특성을 발생시키는 맞춤형 접근 방식입니다. 나노클러스터는 또한 뛰어난 광자-전자 변환 기능을 제공하므로 인공 광수용체 장치를 만드는 데 유망한 접근 방식입니다.
"나노클러스터는 무어의 법칙을 지속하기 위한 차세대 재료로 간주됩니다."라고 Wang은 말했습니다. 물리 세계. 그러나 나노클러스터 기반 장치의 재현 가능한 제조 및 광전 거동과 같은 기본적인 과학적 문제는 여전히 모호하고 탐구되지 않은 상태로 남아 있습니다.”
인공 나노클러스터 광수용체
사마귀 새우에서 영감을 받아 Wang과 동료들은 나노클러스터 광수용체를 만들어 이를 생물학적 AVS용 소형 다중 작업 비전 하드웨어로 사용했습니다. “이 연구에서 우리는 광적응 능력과 원편광 시각을 결합한 나노클러스터 내장 인공 광수용체를 제시합니다.”라고 Wang은 설명합니다.
AVS를 만들기 위해 팀은 키랄 은 나노클러스터와 유기 반도체(펜타센)의 헤테로 구조를 기반으로 하는 웨이퍼 규모의 나노클러스터 광수용체 어레이를 제작했습니다. 나노클러스터의 코어-쉘 특성으로 인해 나노클러스터는 광 밸브 메커니즘을 통해 인공 광수용체의 전도도 수준을 조정하는 센서 내 전하 저장소 역할을 할 수 있습니다. 이를 통해 광수용기 시스템은 입사 광자의 파장과 강도를 모두 결정할 수 있습니다.
어레이의 유기 반도체 재료와 인터페이스할 때 리간드를 이용한 전하 이동 프로세스가 나노클러스터 인터페이스에서 발생합니다. 코어-쉘 구조의 보호 리간드는 나노클러스터를 유기 반도체에 연결하는 변환 경로를 제공합니다. 이 펨토초 규모의 프로세스는 스펙트럼에 따른 시각적 적응과 원형 편광 인식을 모두 촉진합니다.
Wang은 “우리는 나노클러스터 필름과 유기 반도체 사이의 균일한 인터페이스의 웨이퍼 규모 제조를 다루었으며, 나노 규모의 발자국을 가진 인공 광수용체의 고밀도 통합을 위한 기초를 제공했습니다.”라고 말했습니다.
나노클러스터와 유기 반도체 사이의 인터페이스는 적응형 비전을 제공하여 조정 가능한 동역학을 통해 여러 기능을 달성할 수 있도록 합니다. 또한, 키랄성 나노클러스터로 인해 원형 편광 정보를 얻을 수 있습니다. 따라서 팀은 색각, 광적응 및 원편광 시각을 단일 광검출기 시스템에 결합한 나노클러스터를 개발했습니다.
사마귀 새우는 초분광 및 편광 센서에 영감을 줍니다.
생물학적 인식 응용을 위해 여러 비전 기능을 단일 시스템으로 결합하는 기능은 달성하기 어려운 업적입니다. 이전 접근 방식에서는 이 단일 광전자 시스템과 동일한 작업을 수행하기 위해 여러 구성 요소에 의존해야 했습니다. 팀의 접근 방식은 뉴로모픽 장치 및 생물학적 비전 관련 AI 하드웨어를 위한 더 간단하고 강력한 비전 하드웨어를 구축하는 데 도움이 될 수 있습니다.
“인공 나노클러스터 광수용체는 단일 단위 세포에서 올인원 다중 시각 기능을 수행합니다.”라고 Hanlin은 말합니다. “그 중 광적응은 0.45초 이내에 트리거되고 수행될 수 있으며 정확도는 99.75%에 달합니다. 이는 기존 문헌과 비교했을 때 가장 높은 성능이며 인간의 시각 시스템(약 1분)을 능가합니다.”
다음으로 연구진은 나노클러스터/유기 반도체 경계면에서 광적응 스위칭 속도를 0.45초 이상으로 높이는 것을 목표로 하고 있습니다. “미래에 우리는 전하 전달 역학의 특성을 조사하고 더 빠른 나노클러스터 내장 뉴로모픽 시스템을 생산할 것입니다.”라고 Wang은 결론지었습니다.
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- 출처: https://physicsworld.com/a/shrimp-inspired-nanoclusters-enable-multifunctional-artificial-vision-systems/
