Những tiến bộ trong trí tuệ nhân tạo và hệ thống tự động đã làm tăng sự quan tâm đến hệ thống thị giác nhân tạo (AVS) trong những năm gần đây. Thị giác nhân tạo cho phép máy móc “nhìn”, giải thích và phản ứng với thế giới xung quanh, giống như con người làm khi phản ứng với một tình huống mà chúng ta có thể thấy đang thay đổi – chẳng hạn như một chiếc ô tô phanh trước mặt chúng ta khi đang lái xe.
Những “mắt máy” này chụp ảnh từ thế giới xung quanh bằng máy ảnh và cảm biến. Sau đó, các thuật toán điện toán phức tạp sẽ xử lý những hình ảnh này, cho phép máy phân tích môi trường xung quanh theo thời gian thực và đưa ra phản hồi trước mọi thay đổi hoặc mối đe dọa (tùy thuộc vào ứng dụng dự định của chúng).
AVS đã được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, bao gồm nhận dạng khuôn mặt, xe tự hành và thị giác giả (mắt nhân tạo). AVS dành cho xe tự hành và ứng dụng công nghệ cao đã được thiết lập tốt. Tuy nhiên, bản chất phức tạp của cơ thể con người khiến cho việc chế tạo các bộ phận giả thị giác trở nên khó khăn hơn, bởi vì các AVS tiên tiến không có cùng mức độ đa chức năng và khả năng tự điều chỉnh như các đối tác sinh học mà chúng bắt chước.
Nhiều AVS được sử dụng ngày nay yêu cầu một số thành phần để hoạt động – không có thiết bị cảm quang nào có thể thực hiện nhiều chức năng. Điều này có nghĩa là nhiều thiết kế phức tạp hơn mức cần thiết, khiến chúng kém khả thi về mặt thương mại và khó sản xuất hơn. Hàn Lâm Vương, Lưu Vân Kỳ và các đồng nghiệp tại Học viện Khoa học Trung Quốc hiện đang sử dụng các cụm nano để tạo ra các tế bào cảm quang đa chức năng cho các bộ phận giả sinh học, báo cáo những phát hiện của họ trong Nature Communications.
Lấy cảm hứng từ tôm bọ ngựa
Hệ thống thị giác của tôm bọ ngựa sử dụng 16 cơ quan cảm quang để thực hiện đồng thời nhiều nhiệm vụ, bao gồm nhận dạng màu sắc, thị giác thích ứng và nhận biết ánh sáng phân cực tròn. Với việc thiên nhiên thường có thể làm được những điều mà các nhà khoa học chỉ có thể mơ ước đạt được ở mức độ tổng hợp, phỏng sinh học đã trở thành một phương pháp phổ biến. Và vì tôm bọ ngựa có nhiều đặc điểm mong muốn trong cơ quan cảm quang tự nhiên của chúng, nên các nhà nghiên cứu đã cố gắng bắt chước các đặc tính của chúng một cách nhân tạo bằng cách sử dụng các cụm nano.
Cụm nano là các nguyên tử kim loại được gắn vào các phối tử bảo vệ. Đây là một cách tiếp cận có thể điều chỉnh được, mang lại những đặc tính vật lý có thể điều chỉnh được, chẳng hạn như các mức năng lượng rời rạc và các dải năng lượng lớn do hiệu ứng kích thước lượng tử. Các cụm nano cũng cung cấp khả năng chuyển đổi photon thành điện tử tuyệt vời, khiến chúng trở thành một phương pháp đầy hứa hẹn để tạo ra các thiết bị cảm quang nhân tạo.
“Các cụm nano được coi là vật liệu thế hệ tiếp theo để tiếp nối Định luật Moore,” Wang nói Thế giới vật lý. “Tuy nhiên, các vấn đề khoa học cơ bản như chế tạo khả năng tái tạo của các thiết bị dựa trên cụm nano và hoạt động quang điện vẫn còn mù mờ và chưa được khám phá.”
Một tế bào cảm quang cụm nano nhân tạo
Lấy cảm hứng từ tôm bọ ngựa, Wang và các đồng nghiệp đã tạo ra các tế bào cảm quang cụm nano và sử dụng chúng làm phần cứng thị giác nhỏ gọn, đa tác vụ cho AVS sinh học. Wang giải thích: “Trong nghiên cứu này, chúng tôi trình bày các tế bào cảm quang nhân tạo được nhúng cụm nano kết hợp khả năng thích ứng quang học và khả năng nhìn ánh sáng phân cực tròn”.
Để tạo ra AVS, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một dãy tế bào cảm quang cụm nano quy mô wafer dựa trên cấu trúc dị thể của các cụm nano bạc bất đối và một chất bán dẫn hữu cơ (pentacene). Bản chất lõi-vỏ của các cụm nano cho phép chúng hoạt động như một bể chứa điện tích trong cảm biến để điều chỉnh mức độ dẫn điện của các tế bào cảm quang nhân tạo thông qua cơ chế van ánh sáng. Điều này cho phép hệ thống tế bào cảm quang xác định cả bước sóng và cường độ của các photon tới.
Khi tiếp xúc với vật liệu bán dẫn hữu cơ trên mảng, quá trình truyền điện tích được phối tử hỗ trợ diễn ra tại giao diện cụm nano. Các phối tử bảo vệ trong cấu trúc lõi-vỏ cung cấp một con đường dẫn truyền liên kết các cụm nano với chất bán dẫn hữu cơ. Quá trình ở quy mô femto giây này tạo điều kiện thuận lợi cho cả việc thích ứng hình ảnh phụ thuộc vào quang phổ và nhận dạng phân cực tròn.
Wang cho biết: “Chúng tôi đã giải quyết việc chế tạo ở quy mô wafer của một giao diện đồng nhất giữa màng cụm nano và chất bán dẫn hữu cơ, cung cấp nền tảng cho sự tích hợp mật độ cao của các tế bào cảm quang nhân tạo với dấu chân có kích thước nano”.
Giao diện giữa cụm nano và chất bán dẫn hữu cơ mang lại tầm nhìn thích ứng, cho phép đạt được nhiều chức năng với động học có thể điều chỉnh. Ngoài ra, thông tin phân cực tròn có thể thu được do các cụm nano có tính chất bất đối. Do đó, nhóm nghiên cứu đã phát triển các cụm nano kết hợp tầm nhìn màu sắc, khả năng thích ứng quang học và tầm nhìn phân cực tròn vào một hệ thống tách sóng quang duy nhất.
Tôm bọ ngựa tạo cảm hứng cho cảm biến ánh sáng siêu phổ và phân cực
Khả năng kết hợp nhiều chức năng thị giác vào một hệ thống duy nhất cho các ứng dụng nhận dạng sinh học là một điều khó đạt được, vì các phương pháp trước đây phải dựa vào nhiều thành phần để thực hiện cùng một công việc như hệ thống quang điện tử duy nhất này. Cách tiếp cận của nhóm có thể giúp xây dựng phần cứng thị giác đơn giản và mạnh mẽ hơn cho các thiết bị thần kinh và phần cứng AI liên quan đến thị giác sinh học.
Hanlin cho biết: “Các tế bào cảm quang cụm nano nhân tạo thực hiện nhiều chức năng thị giác tất cả trong một trong một tế bào đơn vị”. “Trong số đó, quá trình điều chỉnh quang học có thể được kích hoạt và thực hiện trong vòng 0.45 giây, với độ chính xác đạt 99.75%. Đây là hiệu suất cao nhất so với các tài liệu hiện có và vượt trội hơn hệ thống thị giác của con người – tức là khoảng 1 phút”.
Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đặt mục tiêu tăng tốc độ chuyển đổi quang thích ứng lên trên 0.45 giây ở giao diện cụm nano/chất bán dẫn hữu cơ. Wang kết luận: “Trong tương lai, chúng tôi sẽ nghiên cứu các đặc điểm của động lực truyền điện tích và tạo ra các hệ thống hình thái thần kinh nhúng cụm nano nhanh hơn”.
- Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Trao quyền cho chính mình. Truy cập Tại đây.
- PlatoAiStream. Thông minh Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
- Trung tâmESG. Than đá, công nghệ sạch, Năng lượng, Môi trường Hệ mặt trời, Quản lý chất thải. Truy cập Tại đây.
- PlatoSức khỏe. Tình báo thử nghiệm lâm sàng và công nghệ sinh học. Truy cập Tại đây.
- nguồn: https://physicsworld.com/a/shrimp-inspired-nanoclusters-enable-multifunctional-artificial-vision-systems/
