Napredek na področju umetne inteligence in avtonomnih sistemov je v zadnjih letih sprožil vse večje zanimanje za sisteme umetnega vida (AVS). Umetni vid omogoča strojem, da »vidijo«, interpretirajo in se odzovejo na svet okoli sebe, podobno kot ljudje počnejo, ko se odzovemo na situacijo, ki jo lahko vidimo spreminjajočo – na primer avtomobil, ki med vožnjo zavira pred nami.
Te "strojne oči" zajemajo slike iz sveta okoli sebe s kamerami in senzorji. Kompleksni računalniški algoritmi nato obdelajo te slike, kar omogoča strojem, da analizirajo svojo okolico v realnem času in zagotovijo odziv na kakršne koli spremembe ali grožnje (odvisno od predvidene uporabe).
AVS so bili uporabljeni na številnih področjih, vključno s prepoznavanjem obraza, avtonomnimi vozili in vizualno protetiko (umetne oči). AVS za avtonomna vozila in visokotehnološke aplikacije so se dobro uveljavile. Vendar pa je zaradi kompleksne narave človeškega telesa vizualna protetika bolj zahtevna, saj najsodobnejši AVS nimajo enake ravni večnamenskosti in samoregulacije kot biološki dvojniki, ki jih posnemajo.
Številni AVS, ki se danes uporabljajo, za delovanje potrebujejo več komponent – ni fotoreceptivnih naprav, ki bi lahko izvajale več funkcij. To pomeni, da je veliko modelov bolj zapletenih, kot bi morali biti, zaradi česar so komercialno manj izvedljivi in težje izdelani. Hanlin Wang, Yunqi Liu in sodelavci na Kitajska akademija znanosti zdaj uporabljajo nanogrozde za ustvarjanje večnamenskih fotoreceptorjev za biološko protetiko in poročajo o svojih ugotovitvah v Nature Communications.
Navdihnjena s kozico bogomolko
Vizualni sistem kozice bogomoljke uporablja 16 fotoreceptorjev za opravljanje več nalog hkrati, vključno s prepoznavanjem barv, prilagodljivim vidom in zaznavanjem krožno polarizirane svetlobe. Z naravo, ki je pogosto sposobna narediti stvari, o katerih so znanstveniki lahko samo sanjali, da bi jih dosegli na sintetični ravni, je biomimikrija postala priljubljen pristop. In ker imajo kozice bogomolke veliko zaželenih lastnosti v svojih naravnih fotoreceptorjih, so raziskovalci poskušali posnemati njihove lastnosti z uporabo nanoklastrov.
Nanoklastri so kovinski atomi, ki so vezani na zaščitne ligande. To je prilagojen pristop, ki povzroči nastavljive fizikalne lastnosti, kot so diskretne ravni energije in znatne pasovne vrzeli zaradi kvantnih učinkov velikosti. Nanoklasterji ponujajo tudi odlično pretvorbo fotona v elektron, zaradi česar so obetaven pristop za ustvarjanje umetnih fotoreceptorskih naprav.
"Nanoklasterji veljajo za materiale naslednje generacije za nadaljevanje Moorovega zakona," pravi Wang Svet fizike. "Vendar so osnovna znanstvena vprašanja, kot je ponovljiva izdelava naprav, ki temeljijo na nanoklasterjih, in fotoelektrično vedenje ostala nejasna in neraziskana."
Umetni nanocluster fotoreceptor
Po navdihu kozic bogomolk so Wang in njegovi sodelavci ustvarili fotoreceptorje nanoklasterjev in jih uporabili kot kompaktno, večopravilno strojno opremo za vid za biološke AVS. "V tej raziskavi predstavljamo umetne fotoreceptorje, vgrajene v nanogrozde, ki združujejo zmožnost fotoadaptacije in krožno polariziran svetlobni vid," pojasnjuje Wang.
Da bi ustvarili AVS, je ekipa izdelala fotoreceptorski niz nanoklasterjev v obliki rezin, ki temelji na heterostrukturi kiralnih srebrovih nanoklasterjev in organskega polprevodnika (pentacena). Narava jedra in lupine nanoklasterjev jim omogoča, da delujejo kot rezervoar naboja v senzorju za prilagajanje ravni prevodnosti umetnih fotoreceptorjev prek mehanizma svetlobnega ventila. To omogoča fotoreceptorskemu sistemu, da določi valovno dolžino in intenzivnost vpadnih fotonov.
Pri povezovanju z organskim polprevodniškim materialom na nizu poteka proces prenosa naboja s pomočjo liganda na vmesniku nanogruzk. Zaščitni ligandi v strukturi jedro-lupina zagotavljajo transdukcijsko pot, ki povezuje nanoklastre z organskim polprevodnikom. Ta postopek v femtosekundni lestvici olajša tako spektralno odvisno vizualno prilagoditev kot prepoznavanje krožne polarizacije.
"Obravnavali smo izdelavo enotnega vmesnika med filmom nanogrozd in organskimi polprevodniki v velikosti rezin, ki zagotavlja temelje za integracijo umetnih fotoreceptorjev z visoko gostoto z odtisi v nanometru," pravi Wang.
Vmesnik med nanogrozdom in organskim polprevodnikom zagotavlja prilagodljivo vizijo, ki omogoča doseganje več funkcij z nastavljivo kinetiko. Poleg tega je mogoče pridobiti informacije o krožni polarizaciji, ker so nanoklasterji kiralni. Kot taka je ekipa razvila nanoklastre, ki združujejo barvni vid, fotoadaptacijo in krožno polarizacijski vid v en sam sistem fotodetektorja.
Mantis shrimp navdihuje hiperspektralni in polarimetrični senzor svetlobe
To sposobnost združevanja več funkcij vida v en sam sistem za aplikacije biološkega prepoznavanja je težko doseči, saj so se prejšnji pristopi morali zanašati na več komponent, da bi opravili isto delo kot ta en sam optoelektronski sistem. Pristop ekipe bi lahko pomagal zgraditi preprostejšo in robustnejšo strojno opremo za vid za nevromorfne naprave in strojno opremo AI, povezano z biološkim vidom.
"Umetni nanoklasterski fotoreceptorji izvajajo več vizualnih funkcij vse v enem v eni celici," pravi Hanlin. »Med njimi je fotoadaptacijo mogoče sprožiti in izvesti v 0.45 s, njena natančnost pa doseže 99.75 %. To je najvišja zmogljivost v primerjavi z obstoječo literaturo in prekaša človeške vidne sisteme – kar je približno 1 min.
Nato si raziskovalci prizadevajo povečati preklopne stopnje fotoadaptacije nad 0.45 s na vmesniku nanoklaster/organski polprevodnik. "V prihodnosti bomo raziskali značilnosti dinamike prenosa naboja in izdelali hitrejše nevromorfne sisteme, vgrajene v nanogrozde," zaključuje Wang.
- Distribucija vsebine in PR s pomočjo SEO. Okrepite se še danes.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Opolnomočite se. Dostopite tukaj.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Razširjeno znanje. Dostopite tukaj.
- PlatoESG. Ogljik, CleanTech, Energija, Okolje, sončna energija, Ravnanje z odpadki. Dostopite tukaj.
- PlatoHealth. Obveščanje o biotehnologiji in kliničnih preskušanjih. Dostopite tukaj.
- vir: https://physicsworld.com/a/shrimp-inspired-nanoclusters-enable-multifunctional-artificial-vision-systems/
