Negli ultimi anni i progressi nell’intelligenza artificiale e nei sistemi autonomi hanno innescato un crescente interesse per i sistemi di visione artificiale (AVS). La visione artificiale consente alle macchine di “vedere”, interpretare e reagire al mondo che le circonda, proprio come fanno gli esseri umani quando rispondiamo a una situazione che possiamo vedere cambiare – ad esempio un’auto che frena davanti a noi durante la guida.
Questi “occhi macchina” catturano immagini del mondo che li circonda utilizzando fotocamere e sensori. Complessi algoritmi informatici elaborano quindi queste immagini, consentendo alle macchine di analizzare l'ambiente circostante in tempo reale e fornire una risposta a eventuali cambiamenti o minacce (a seconda dell'applicazione prevista).
Gli AVS sono stati utilizzati in molti settori, tra cui il riconoscimento facciale, i veicoli autonomi e le protesi visive (occhi artificiali). Gli AVS per veicoli autonomi e applicazioni high-tech si sono ormai affermati. Tuttavia, la natura complessa del corpo umano rende le protesi visive più impegnative, perché gli AVS all’avanguardia non possiedono lo stesso livello di multifunzionalità e autoregolamentazione delle controparti biologiche che imitano.
Molti AVS in uso oggi richiedono diversi componenti per funzionare: non esistono dispositivi fotorecettivi in grado di eseguire più funzioni. Ciò significa che molti progetti sono più complessi di quanto dovrebbero essere, rendendoli meno fattibili dal punto di vista commerciale e più difficili da produrre. Hanlin Wang, Yunqi Liu e colleghi di Accademia Cinese delle Scienze stanno ora utilizzando nanocluster per creare fotorecettori multifunzionali per protesi biologiche, riportando i loro risultati Nature Communications.
Ispirato ai gamberetti mantide
Il sistema visivo di una canocchia utilizza 16 fotorecettori per eseguire più compiti contemporaneamente, tra cui il riconoscimento del colore, la visione adattativa e la percezione della luce polarizzata circolarmente. Poiché la natura è spesso in grado di fare cose che gli scienziati potrebbero solo sognare di realizzare a livello sintetico, la biomimetica è diventata un approccio popolare. E poiché i gamberetti mantide hanno molti tratti desiderabili nei loro fotorecettori naturali, i ricercatori hanno tentato di imitare artificialmente le loro proprietà utilizzando nanocluster.
I nanocluster sono atomi metallici attaccati a ligandi protettivi. Si tratta di un approccio personalizzabile che dà origine a proprietà fisiche sintonizzabili, come livelli energetici discreti e bande proibite considerevoli dovute a effetti di dimensione quantistica. I nanocluster offrono anche un'eccellente conversione da fotone a elettrone, il che li rende un approccio promettente per la creazione di dispositivi fotorecettori artificiali.
"I nanocluster sono considerati i materiali di prossima generazione per la continuazione della legge di Moore", spiega Wang Mondo della fisica. “Tuttavia, questioni scientifiche di base come la fabbricazione riproducibile di dispositivi basati su nanocluster e il comportamento fotoelettrico sono rimaste oscure e inesplorate”.
Un fotorecettore artificiale di nanocluster
Ispirandosi ai gamberetti mantide, Wang e colleghi hanno creato fotorecettori a nanocluster e li hanno utilizzati come hardware di visione compatto e multi-tasking per gli AVS biologici. «In questa ricerca, presentiamo fotorecettori artificiali incorporati in nanocluster che combinano la capacità di fotoadattamento e la visione della luce polarizzata circolare», spiega Wang.
Per creare l'AVS, il team ha fabbricato un array di fotorecettori di nanocluster su scala wafer basato su un'eterostruttura di nanocluster d'argento chirali e un semiconduttore organico (pentacene). La natura nucleo-guscio dei nanocluster consente loro di agire come un serbatoio di carica nel sensore per regolare i livelli di conduttanza dei fotorecettori artificiali attraverso un meccanismo di valvola luminosa. Ciò consente al sistema fotorecettore di determinare sia la lunghezza d'onda che l'intensità dei fotoni incidenti.
Quando interfacciato con il materiale semiconduttore organico sull'array, sull'interfaccia del nanocluster avviene un processo di trasferimento di carica assistito da ligando. I ligandi protettivi nella struttura nucleo-guscio forniscono un percorso di trasduzione che collega i nanocluster al semiconduttore organico. Questo processo su scala dei femtosecondi facilita sia l'adattamento visivo dipendente dallo spettro che il riconoscimento della polarizzazione circolare.
«Abbiamo affrontato la fabbricazione su scala wafer di un’interfaccia uniforme tra una pellicola di nanocluster e semiconduttori organici, fornendo un elemento fondamentale per l’integrazione ad alta densità di fotorecettori artificiali con impronte su scala nanometrica», afferma Wang.
L'interfaccia tra il nanocluster e il semiconduttore organico fornisce la visione adattiva, consentendo di ottenere molteplici funzioni con una cinetica sintonizzabile. Inoltre, è possibile ottenere informazioni sulla polarizzazione circolare poiché i nanocluster sono chirali. Pertanto, il team ha sviluppato nanocluster che combinano visione dei colori, fotoadattamento e visione a polarizzazione circolare in un unico sistema di fotorilevamento.
La canocchia ispira il sensore di luce iperspettrale e polarimetrico
Questa capacità di combinare più funzioni visive in un unico sistema per applicazioni di riconoscimento biologico è un’impresa difficile da raggiungere, poiché gli approcci precedenti dovevano fare affidamento su più componenti per svolgere lo stesso lavoro di questo unico sistema optoelettronico. L'approccio del team potrebbe aiutare a costruire hardware di visione più semplice e robusto per dispositivi neuromorfici e hardware di intelligenza artificiale correlato alla visione biologica.
“I fotorecettori artificiali di nanocluster eseguono molteplici funzioni visive all-in-one in una singola cellula unitaria”, afferma Hanlin. “Tra questi, il fotoadattamento può essere attivato ed eseguito entro 0.45 s, con una precisione che raggiunge il 99.75%. Questa è la prestazione più alta rispetto alla letteratura esistente e supera i sistemi visivi umani – che è di circa 1 minuto”.
Successivamente, i ricercatori mirano ad aumentare i tassi di commutazione del fotoadattamento oltre 0.45 s sull'interfaccia nanocluster/semiconduttore organico. «In futuro, studieremo le caratteristiche delle dinamiche di trasferimento di carica e produrremo sistemi neuromorfici incorporati in nanocluster più veloci», conclude Wang.
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- Fonte: https://physicsworld.com/a/shrimp-inspired-nanoclusters-enable-multifunctional-artificial-vision-systems/
