Vooruitgang op het gebied van kunstmatige intelligentie en autonome systemen heeft de afgelopen jaren geleid tot een toenemende belangstelling voor kunstmatige zichtsystemen (AVS's). Kunstmatig zicht stelt machines in staat de wereld om hen heen te ‘zien’, te interpreteren en erop te reageren, net zoals mensen dat doen wanneer we reageren op een situatie die we zien veranderen – bijvoorbeeld een auto die voor ons remt tijdens het rijden.
Deze ‘machineogen’ leggen beelden vast van de wereld om hen heen met behulp van camera’s en sensoren. Complexe computeralgoritmen verwerken deze beelden vervolgens, waardoor de machines hun omgeving in realtime kunnen analyseren en kunnen reageren op eventuele veranderingen of bedreigingen (afhankelijk van de beoogde toepassing).
AVS's zijn op veel gebieden gebruikt, waaronder gezichtsherkenning, autonome voertuigen en visuele protheses (kunstmatige ogen). AVS's voor autonome voertuigen en hightechtoepassingen zijn goed ingeburgerd. De complexe aard van het menselijk lichaam maakt visuele protheses echter uitdagender, omdat de modernste AVS's niet hetzelfde niveau van multifunctionaliteit en zelfregulatie bezitten als de biologische tegenhangers die ze nabootsen.
Veel AVS'en die tegenwoordig worden gebruikt, hebben verschillende componenten nodig om te kunnen functioneren. Er zijn geen fotoreceptieve apparaten die meerdere functies kunnen vervullen. Dit betekent dat veel van de ontwerpen complexer zijn dan ze zouden moeten zijn, waardoor ze minder commercieel haalbaar en moeilijker te vervaardigen zijn. Hanlin Wang, Yunqi Liu en collega's bij de Chinese Wetenschapsacademie gebruiken nu nanoclusters om multifunctionele fotoreceptoren voor biologische protheses te creëren, en rapporteren hun bevindingen in Nature Communications.
Geïnspireerd door de bidsprinkhaangarnaal
Het visuele systeem van een bidsprinkhaangarnaal gebruikt 16 fotoreceptoren om meerdere taken tegelijkertijd uit te voeren, waaronder kleurherkenning, adaptief zicht en perceptie van circulair gepolariseerd licht. Omdat de natuur vaak dingen kan doen waar wetenschappers op synthetisch niveau alleen maar van konden dromen, is biomimicry een populaire aanpak geworden. En omdat bidsprinkhaangarnalen veel wenselijke eigenschappen hebben in hun natuurlijke fotoreceptoren, hebben onderzoekers geprobeerd hun eigenschappen kunstmatig na te bootsen met behulp van nanoclusters.
Nanoclusters zijn metaalatomen die vastzitten aan beschermende liganden. Dit is een op maat gemaakte aanpak die aanleiding geeft tot afstembare fysieke eigenschappen, zoals discrete energieniveaus en aanzienlijke bandgaps als gevolg van kwantumgrootte-effecten. Nanoclusters bieden ook een uitstekende foton-naar-elektron-conversie, waardoor ze een veelbelovende aanpak zijn voor het maken van kunstmatige fotoreceptorapparaten.
“Nanoclusters worden beschouwd als de materialen van de volgende generatie voor de voortzetting van de wet van Moore”, vertelt Wang Natuurkunde wereld. “Echter, fundamentele wetenschappelijke kwesties zoals reproduceerbare fabricage van op nanoclusters gebaseerde apparaten en foto-elektrisch gedrag zijn onduidelijk en onontgonnen gebleven.”
Een kunstmatige nanocluster-fotoreceptor
Geïnspireerd door de bidsprinkhaangarnaal creëerden Wang en collega's nanocluster-fotoreceptoren en gebruikten ze als compacte, multi-task vision-hardware voor biologische AVS's. “In dit onderzoek presenteren we in nanoclusters ingebedde kunstmatige fotoreceptoren die het vermogen van fotoadaptatie en circulair gepolariseerd licht combineren”, legt Wang uit.
Om de AVS te creëren, vervaardigde het team een nanocluster-fotoreceptorarray op wafelschaal, gebaseerd op een heterostructuur van chirale zilveren nanoclusters en een organische halfgeleider (pentaceen). Door de kern-schil-aard van de nanoclusters kunnen ze fungeren als een ladingsreservoir in de sensor om de geleidingsniveaus van de kunstmatige fotoreceptoren af te stemmen via een lichtklepmechanisme. Hierdoor kan het fotoreceptorsysteem zowel de golflengte als de intensiteit van invallende fotonen bepalen.
Wanneer er een interface is met het organische halfgeleidermateriaal op de array, vindt er een ligand-geassisteerd ladingsoverdrachtsproces plaats op het nanocluster-interface. De beschermende liganden in de kern-schilstructuur zorgen voor een transductieroute die de nanoclusters met de organische halfgeleider verbindt. Dit proces op femtosecondeschaal vergemakkelijkt zowel spectraalafhankelijke visuele aanpassing als herkenning van circulaire polarisatie.
“We hebben ons beziggehouden met de fabricage op waferschaal van een uniforme interface tussen een nanoclusterfilm en organische halfgeleiders, waardoor een basis wordt gelegd voor de integratie met hoge dichtheid van kunstmatige fotoreceptoren met voetafdrukken op nanoschaal”, zegt Wang.
De interface tussen de nanocluster en de organische halfgeleider zorgt voor de adaptieve visie, waardoor meerdere functies kunnen worden bereikt met afstembare kinetiek. Bovendien kan informatie over circulaire polarisatie worden verkregen doordat de nanoclusters chiraal zijn. Als zodanig heeft het team nanoclusters ontwikkeld die kleurenvisie, fotoadaptatie en circulaire polarisatievisie combineren in één enkel fotodetectorsysteem.
Bidsprinkhanengarnaal inspireert hyperspectrale en polarimetrische lichtsensor
Dit vermogen om meerdere zichtfuncties te combineren in één enkel systeem voor biologische herkenningstoepassingen is moeilijk te realiseren, omdat eerdere benaderingen moesten vertrouwen op meerdere componenten om hetzelfde werk te doen als dit enkele opto-elektronische systeem. De aanpak van het team zou kunnen helpen bij het bouwen van eenvoudigere en robuustere vision-hardware voor neuromorfe apparaten en biologische vision-gerelateerde AI-hardware.
“Kunstmatige nanocluster-fotoreceptoren voeren alles-in-één meerdere visuele functies uit in één enkele eenheidscel”, zegt Hanlin. “Hieronder kan fotoadaptatie binnen 0.45 seconde worden geactiveerd en uitgevoerd, met een nauwkeurigheid van 99.75%. Dit is de hoogste prestatie vergeleken met de bestaande literatuur en presteert beter dan menselijke visuele systemen – dat is ongeveer 1 minuut”.
Vervolgens willen de onderzoekers de schakelsnelheden voor fotoadaptatie verhogen tot meer dan 0.45 s op het grensvlak tussen nanocluster en organische halfgeleider. "In de toekomst zullen we de kenmerken van de dynamiek van ladingsoverdracht onderzoeken en snellere in nanoclusters ingebedde neuromorfe systemen produceren", besluit Wang.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://physicsworld.com/a/shrimp-inspired-nanoclusters-enable-multifunctional-artificial-vision-systems/
