Fremskritt innen kunstig intelligens og autonome systemer har utløst økende interesse for kunstige synssystemer (AVS) de siste årene. Kunstig syn lar maskiner «se», tolke og reagere på verden rundt dem, omtrent som mennesker gjør når vi reagerer på en situasjon som vi kan se endre seg – for eksempel en bil som bremser foran oss når de kjører.
Disse "maskinøynene" tar bilder fra verden rundt seg ved hjelp av kameraer og sensorer. Komplekse dataalgoritmer behandler deretter disse bildene, slik at maskinene kan analysere omgivelsene i sanntid og gi et svar på eventuelle endringer eller trusler (avhengig av tiltenkt bruk).
AVS-er har blitt brukt på mange områder, inkludert ansiktsgjenkjenning, autonome kjøretøy og visuelle proteser (kunstige øyne). AVS-er for autonome kjøretøy og høyteknologiske applikasjoner har blitt godt etablert. Den komplekse naturen til menneskekroppen gjør imidlertid visuelle proteser mer utfordrende, fordi toppmoderne AVS-er ikke har samme nivå av multifunksjonalitet og selvregulering som de biologiske motstykkene de etterligner.
Mange AVS-er som er i bruk i dag, krever flere komponenter for å fungere – det er ingen fotoreseptive enheter som kan utføre flere funksjoner. Dette betyr at mange av designene er mer komplekse enn de burde være, noe som gjør dem mindre kommersielt gjennomførbare og vanskeligere å produsere. Hanlin Wang, Yunqi Liu og kolleger på Chinese Academy of Sciences bruker nå nanoklustere for å lage multifunksjonelle fotoreseptorer for biologiske proteser, og rapporterer funnene deres i Nature Communications.
Inspirert av mantisreken
Det visuelle systemet til en mantisreke bruker 16 fotoreseptorer for å utføre flere oppgaver samtidig, inkludert fargegjenkjenning, adaptivt syn og persepsjon av sirkulært polarisert lys. Med naturen ofte i stand til å gjøre ting som forskere bare kunne drømme om å oppnå på et syntetisk nivå, har biomimicry blitt en populær tilnærming. Og ettersom mantisreker har mange ønskelige egenskaper i deres naturlige fotoreseptorer, har forskere forsøkt å etterligne egenskapene deres kunstig ved å bruke nanokluster.
Nanoclusters er metallatomer som er festet til beskyttende ligander. Dette er en skreddersydd tilnærming som gir opphav til justerbare fysiske egenskaper, som diskrete energinivåer og store båndgap på grunn av kvantestørrelseseffekter. Nanoclusters tilbyr også utmerket foton-til-elektron-konvertering, noe som gjør dem til en lovende tilnærming for å lage kunstige fotoreseptorenheter.
"Nanoclusters anses å være neste generasjons materialer for fortsettelsen av Moores lov," forteller Wang Fysikkens verden. "Men grunnleggende vitenskapelige problemer som reproduserbar fabrikasjon av nanocluster-baserte enheter og fotoelektrisk oppførsel har forblitt uklare og uutforskede."
En kunstig nanocluster fotoreseptor
Inspirert av mantisrekene skapte Wang og kolleger nanocluster-fotoreseptorer og brukte dem som kompakt, multi-task vision-maskinvare for biologiske AVS-er. "I denne forskningen presenterer vi nanocluster-innebygde kunstige fotoreseptorer som kombinerer evnen til fototilpasning og sirkulært polarisert lyssyn," forklarer Wang.
For å lage AVS, laget teamet en wafer-skala nanocluster fotoreseptor array basert på en heterostruktur av kirale sølv nanoclusters og en organisk halvleder (pentacen). Nanoclusternes kjerne-skall-natur gjør at de kan fungere som et ladereservoar i sensoren for å justere konduktansnivåene til de kunstige fotoreseptorene gjennom en lysventilmekanisme. Dette gjør at fotoreseptorsystemet kan bestemme både bølgelengden og intensiteten til innfallende fotoner.
Ved grensesnitt med det organiske halvledermaterialet på arrayet, finner en ligandassistert ladningsoverføringsprosess sted ved nanocluster-grensesnittet. De beskyttende ligandene i kjerne-skallstrukturen gir en transduksjonsvei som kobler nanoclusterne til den organiske halvlederen. Denne femtosekundskalaprosessen letter både spektralavhengig visuell tilpasning og sirkulær polarisasjonsgjenkjenning.
"Vi har tatt for seg wafer-skala fabrikasjon av et enhetlig grensesnitt mellom en nanocluster-film og organiske halvledere, noe som gir en grunnleggende for høytetthetsintegrasjon av kunstige fotoreseptorer med nanoskala fotavtrykk," sier Wang.
Grensesnittet mellom nanoclusteret og den organiske halvlederen gir det adaptive synet, noe som gjør det mulig å oppnå flere funksjoner med justerbar kinetikk. I tillegg kan sirkulær polarisasjonsinformasjon oppnås på grunn av at nanoclusterne er chirale. Som sådan har teamet utviklet nanoclustre som kombinerer fargesyn, fototilpasning og sirkulær polarisasjonssyn til et enkelt fotodetektorsystem.
Mantis-reker inspirerer til hyperspektral og polarimetrisk lyssensor
Denne evnen til å kombinere flere synsfunksjoner i et enkelt system for biologisk gjenkjenningsapplikasjoner er en vanskelig prestasjon å oppnå, med tidligere tilnærminger som har måttet stole på flere komponenter for å gjøre den samme jobben som dette enkelt opto-elektroniske systemet. Teamets tilnærming kan bidra til å bygge enklere og mer robust synsmaskinvare for nevromorfe enheter og biologisk synsrelatert AI-maskinvare.
"Kunstige nanocluster fotoreseptorer utfører alt-i-ett flere visuelle funksjoner i en enkelt enhetscelle," sier Hanlin. "Blant dem kan fototilpasning utløses og utføres innen 0.45 s, med en nøyaktighet på 99.75%. Dette er den høyeste ytelsen sammenlignet med eksisterende litteratur og overgår menneskelige visuelle systemer – som er omtrent 1 min.
Deretter tar forskerne sikte på å øke fototilpasningssvitsjehastigheter utover 0.45 s ved nanocluster/organisk halvledergrensesnitt. "I fremtiden vil vi undersøke egenskapene til ladningsoverføringsdynamikk og produsere raskere nanocluster-innebygde nevromorfe systemer," konkluderer Wang.
- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://physicsworld.com/a/shrimp-inspired-nanoclusters-enable-multifunctional-artificial-vision-systems/
