Los avances en inteligencia artificial y sistemas autónomos han despertado un creciente interés en los sistemas de visión artificial (AVS) en los últimos años. La visión artificial permite a las máquinas “ver”, interpretar y reaccionar ante el mundo que las rodea, de forma muy similar a lo que hacen los humanos cuando respondemos a una situación que podemos ver cambiando: un automóvil que frena frente a nosotros mientras conduce, por ejemplo.
Estos "ojos de máquina" capturan imágenes del mundo que los rodea utilizando cámaras y sensores. Luego, complejos algoritmos informáticos procesan estas imágenes, lo que permite a las máquinas analizar su entorno en tiempo real y proporcionar una respuesta a cualquier cambio o amenaza (según su aplicación prevista).
Los AVS se han utilizado en muchas áreas, incluido el reconocimiento facial, los vehículos autónomos y las prótesis visuales (ojos artificiales). Los AVS para vehículos autónomos y aplicaciones de alta tecnología se han consolidado. Sin embargo, la naturaleza compleja del cuerpo humano hace que las prótesis visuales sean más desafiantes, porque las AVS de última generación no poseen el mismo nivel de multifuncionalidad y autorregulación que las contrapartes biológicas que imitan.
Muchos AVS que se utilizan hoy en día requieren varios componentes para funcionar; no existen dispositivos fotorreceptivos que puedan realizar múltiples funciones. Esto significa que muchos de los diseños son más complejos de lo que deberían ser, lo que los hace menos viables comercialmente y más difíciles de fabricar. Hanlin Wang, Yunqi Liu y colegas en el Academia China de Ciencias Ahora están utilizando nanoclusters para crear fotorreceptores multifuncionales para prótesis biológicas, informando sus hallazgos en Nature Communications.
Inspirado en el camarón mantis
El sistema visual de una gamba mantis utiliza 16 fotorreceptores para realizar múltiples tareas simultáneamente, incluido el reconocimiento de colores, la visión adaptativa y la percepción de luz polarizada circularmente. Dado que la naturaleza a menudo es capaz de hacer cosas que los científicos sólo podrían soñar con lograr a nivel sintético, la biomímesis se ha convertido en un enfoque popular. Y como los camarones mantis tienen muchos rasgos deseables en sus fotorreceptores naturales, los investigadores han intentado imitar sus propiedades artificialmente utilizando nanoclusters.
Los nanoclusters son átomos metálicos que están unidos a ligandos protectores. Se trata de un enfoque adaptable que da lugar a propiedades físicas sintonizables, como niveles de energía discretos y bandas prohibidas considerables debido a efectos de tamaño cuántico. Los nanoclusters también ofrecen una excelente conversión de fotones a electrones, lo que los convierte en un enfoque prometedor para crear dispositivos fotorreceptores artificiales.
"Los nanoclusters se consideran materiales de próxima generación para la continuación de la Ley de Moore", dice Wang. Mundo de la física. "Sin embargo, cuestiones científicas básicas como la fabricación reproducible de dispositivos basados en nanoclusters y el comportamiento fotoeléctrico han permanecido oscuras e inexploradas".
Un fotorreceptor de nanocluster artificial
Inspirándose en el camarón mantis, Wang y sus colegas crearon fotorreceptores de nanoracimos y los utilizaron como hardware de visión compacto y multitarea para AVS biológicos. "En esta investigación, presentamos fotorreceptores artificiales integrados en nanoclusters que combinan la capacidad de fotoadaptación y visión de luz polarizada circular", explica Wang.
Para crear el AVS, el equipo fabricó una matriz de fotorreceptores de nanoclusters a escala de oblea basada en una heteroestructura de nanoclusters de plata quirales y un semiconductor orgánico (pentaceno). La naturaleza núcleo-capa de los nanoclusters les permite actuar como un depósito de carga en el sensor para ajustar los niveles de conductancia de los fotorreceptores artificiales a través de un mecanismo de válvula de luz. Esto permite que el sistema de fotorreceptores determine tanto la longitud de onda como la intensidad de los fotones incidentes.
Cuando se interconecta con el material semiconductor orgánico en la matriz, se lleva a cabo un proceso de transferencia de carga asistido por ligando en la interfaz del nanocluster. Los ligandos protectores en la estructura núcleo-capa proporcionan una vía de transducción que une los nanoclusters al semiconductor orgánico. Este proceso a escala de femtosegundos facilita tanto la adaptación visual dependiente del espectro como el reconocimiento de la polarización circular.
"Hemos abordado la fabricación a escala de oblea de una interfaz uniforme entre una película de nanocluster y semiconductores orgánicos, proporcionando un elemento fundamental para la integración de alta densidad de fotorreceptores artificiales con huellas a nanoescala", dice Wang.
La interfaz entre el nanocluster y el semiconductor orgánico proporciona una visión adaptativa, lo que permite lograr múltiples funciones con una cinética ajustable. Además, se puede obtener información de polarización circular debido a que los nanoclusters son quirales. Como tal, el equipo ha desarrollado nanoclusters que combinan visión del color, fotoadaptación y visión de polarización circular en un único sistema fotodetector.
El camarón mantis inspira un sensor de luz hiperespectral y polarimétrico
Esta capacidad de combinar múltiples funciones de visión en un solo sistema para aplicaciones de reconocimiento biológico es una hazaña difícil de lograr, ya que los enfoques anteriores tenían que depender de múltiples componentes para hacer el mismo trabajo que este único sistema optoelectrónico. El enfoque del equipo podría ayudar a construir hardware de visión más simple y robusto para dispositivos neuromórficos y hardware de IA relacionado con la visión biológica.
"Los fotorreceptores de nanoclusters artificiales realizan múltiples funciones visuales todo en uno en una sola unidad de celda", dice Hanlin. “Entre ellos, la fotoadaptación se puede activar y realizar en 0.45 s, con una precisión que alcanza el 99.75%. Este es el rendimiento más alto en comparación con la literatura existente y supera a los sistemas visuales humanos, que es aproximadamente 1 minuto”.
A continuación, los investigadores pretenden aumentar las velocidades de conmutación de fotoadaptación más allá de 0.45 s en la interfaz nanocluster/semiconductor orgánico. "En el futuro, investigaremos las características de la dinámica de transferencia de carga y produciremos sistemas neuromórficos integrados en nanoclusters más rápidos", concluye Wang.
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- Fuente: https://physicsworld.com/a/shrimp-inspired-nanoclusters-enable-multifunctional-artificial-vision-systems/
