Framsteg inom artificiell intelligens och autonoma system har utlöst ett ökat intresse för artificiella synsystem (AVS) de senaste åren. Artificiell syn gör att maskiner kan ”se”, tolka och reagera på omvärlden, ungefär som människor gör när vi reagerar på en situation som vi kan se förändras – en bil som bromsar framför oss när vi kör till exempel.
Dessa "maskinögon" tar bilder från världen omkring dem med hjälp av kameror och sensorer. Komplexa datoralgoritmer bearbetar sedan dessa bilder, vilket gör att maskinerna kan analysera sin omgivning i realtid och ge ett svar på eventuella förändringar eller hot (beroende på deras avsedda tillämpning).
AVS har använts inom många områden, inklusive ansiktsigenkänning, autonoma fordon och visuella proteser (konstgjorda ögon). AVS för autonoma fordon och högteknologiska applikationer har blivit väletablerade. Men människokroppens komplexa natur gör visuella proteser mer utmanande, eftersom toppmoderna AVS inte har samma nivå av multifunktionalitet och självreglering som de biologiska motsvarigheterna som de efterliknar.
Många AVS som används idag kräver flera komponenter för att fungera – det finns inga fotoreceptiva enheter som kan utföra flera funktioner. Detta innebär att många av designerna är mer komplexa än de borde vara, vilket gör dem mindre kommersiellt genomförbara och svårare att tillverka. Hanlin Wang, Yunqi Liu och kollegor på Chinese Academy of Sciences använder nu nanokluster för att skapa multifunktionella fotoreceptorer för biologiska proteser, och rapporterar sina fynd i Nature Communications.
Inspirerad av mantisräkan
Det visuella systemet hos en mantisräka använder 16 fotoreceptorer för att utföra flera uppgifter samtidigt, inklusive färgigenkänning, adaptiv syn och perception av cirkulärt polariserat ljus. Med naturen ofta kunna göra saker som forskare bara kunde drömma om att uppnå på en syntetisk nivå, har biomimik blivit ett populärt tillvägagångssätt. Och eftersom mantisräkor har många önskvärda egenskaper i sina naturliga fotoreceptorer, har forskare försökt efterlikna deras egenskaper på konstgjord väg med hjälp av nanokluster.
Nanokluster är metallatomer som är fästa vid skyddande ligander. Detta är ett skräddarsytt tillvägagångssätt som ger upphov till inställbara fysiska egenskaper, såsom diskreta energinivåer och stora bandgap på grund av kvantstorlekseffekter. Nanokluster erbjuder också utmärkt foton-till-elektron-omvandling, vilket gör dem till ett lovande tillvägagångssätt för att skapa artificiella fotoreceptorenheter.
"Nanokluster anses vara nästa generations material för fortsättningen av Moores lag," säger Wang Fysikvärlden. "Men, grundläggande vetenskapliga frågor som reproducerbar tillverkning av nanoklusterbaserade enheter och fotoelektriskt beteende har förblivit oklara och outforskade."
En artificiell nanoklusterfotoreceptor
Inspirerad av mantisräkan skapade Wang och kollegor nanoklusterfotoreceptorer och använde dem som kompakt, multi-task vision hårdvara för biologiska AVS. "I den här forskningen presenterar vi nanokluster-inbäddade artificiella fotoreceptorer som kombinerar förmågan till fotoanpassning och cirkulärt polariserat ljusseende," förklarar Wang.
För att skapa AVS tillverkade teamet ett nanoklusterfotoreceptorarray i wafer-skala baserat på en heterostruktur av kirala silvernanokluster och en organisk halvledare (pentacen). Nanoklustrens kärna-skal-natur gör att de kan fungera som en laddningsreservoar i sensorn för att justera konduktansnivåerna för de artificiella fotoreceptorerna genom en ljusventilmekanism. Detta gör att fotoreceptorsystemet kan bestämma både våglängden och intensiteten hos infallande fotoner.
När gränssnittet med det organiska halvledarmaterialet på arrayen sker sker en ligandassisterad laddningsöverföringsprocess vid nanoklustergränssnittet. De skyddande liganderna i kärnan-skalstrukturen tillhandahåller en transduktionsväg som länkar nanoklustren till den organiska halvledaren. Denna femtosekundskalaprocess underlättar både spektralberoende visuell anpassning och cirkulär polarisationsigenkänning.
"Vi har tagit itu med tillverkningen i wafer-skala av ett enhetligt gränssnitt mellan en nanoklusterfilm och organiska halvledare, vilket ger en grundläggande för högdensitetsintegration av artificiella fotoreceptorer med nanoskala fotspår", säger Wang.
Gränssnittet mellan nanoklustret och den organiska halvledaren ger den adaptiva visionen, vilket möjliggör att flera funktioner kan uppnås med inställbar kinetik. Dessutom kan cirkulär polarisationsinformation erhållas på grund av att nanoklustren är kirala. Som sådan har teamet utvecklat nanokluster som kombinerar färgseende, fotoanpassning och cirkulär polarisationsseende i ett enda fotodetektorsystem.
Mantisräkor inspirerar till hyperspektral och polarimetrisk ljussensor
Denna förmåga att kombinera flera synfunktioner till ett enda system för biologiska igenkänningsapplikationer är en svår bedrift att uppnå, med tidigare tillvägagångssätt som har varit tvungna att förlita sig på flera komponenter för att göra samma jobb som detta enda optoelektroniska system. Teamets tillvägagångssätt kan hjälpa till att bygga enklare och mer robust synhårdvara för neuromorfa enheter och biologisk synrelaterad AI-hårdvara.
"Artificiella nanoklusterfotoreceptorer utför allt-i-ett flera visuella funktioner i en enda enhetscell", säger Hanlin. "Bland dem kan fotoanpassning triggas och utföras inom 0.45 s, med dess noggrannhet som når 99.75%. Detta är den högsta prestandan jämfört med den befintliga litteraturen och överträffar mänskliga visuella system – vilket är cirka 1 min”.
Därefter siktar forskarna på att öka fotoanpassningsväxlingshastigheten över 0.45 s vid nanokluster/organisk halvledargränssnitt. "I framtiden kommer vi att undersöka egenskaperna hos laddningsöverföringsdynamik och producera snabbare nanokluster-inbäddade neuromorfa system," avslutar Wang.
- SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
- Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
- PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
- Källa: https://physicsworld.com/a/shrimp-inspired-nanoclusters-enable-multifunctional-artificial-vision-systems/
