Reje-inspirerede nanoclusters muliggør multifunktionelle kunstige synssystemer – Physics World

Reje-inspirerede nanoclusters muliggør multifunktionelle kunstige synssystemer – Physics World

Tidsstempel: 17. april 2024 kl. 8

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/shrimp-inspired-nanoclusters-enable-multifunctional-artificial-vision-systems-physics-world.jpg" data-caption="Bioinspireret apparat Til venstre: skematisk af mantis reje visuelle system. Til højre: kunstig fotoreceptor baseret på chirale sølv nanoclusters og den organiske halvleder pentacen. (Med høflighed: CC BY 4.0/Nat. Commun. 10.1038/s41467-024-46646-5)” title=”Click to open image in popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/04/shrimp-inspired-nanoclusters-enable-multifunctional-artificial-vision-systems-physics-world.jpg”>Mantis reje visuelle system og kunstig nanocluster fotoreceptor
Bioinspireret apparat Til venstre: skematisk af mantis reje visuelle system. Til højre: kunstig fotoreceptor baseret på chirale sølv nanoclusters og den organiske halvleder pentacen. (Med høflighed: CC BY 4.0/Nat. Commun. 10.1038/s41467-024-46646-5)

Fremskridt inden for kunstig intelligens og autonome systemer har udløst stigende interesse for kunstige synssystemer (AVS'er) i de senere år. Kunstigt syn giver maskiner mulighed for at "se", fortolke og reagere på verden omkring dem, ligesom mennesker gør, når vi reagerer på en situation, som vi kan se ændre sig - for eksempel en bil, der bremser foran os, når de kører.

Disse "maskinøjne" fanger billeder fra verden omkring dem ved hjælp af kameraer og sensorer. Komplekse computeralgoritmer behandler derefter disse billeder, hvilket gør det muligt for maskinerne at analysere deres omgivelser i realtid og give et svar på eventuelle ændringer eller trusler (afhængigt af deres tilsigtede anvendelse).

AVS'er er blevet brugt på mange områder, herunder ansigtsgenkendelse, autonome køretøjer og visuelle proteser (kunstige øjne). AVS'er til autonome køretøjer og højteknologiske applikationer er blevet veletablerede. Men menneskekroppens komplekse natur gør visuelle proteser mere udfordrende, fordi avancerede AVS'er ikke besidder det samme niveau af multifunktionalitet og selvregulering som de biologiske modstykker, som de efterligner.

Mange AVS'er i brug i dag kræver flere komponenter for at fungere - der er ikke nogen fotoreceptive enheder, der kan udføre flere funktioner. Det betyder, at mange af designerne er mere komplekse, end de burde være, hvilket gør dem mindre kommercielt gennemførlige og sværere at fremstille. Hanlin Wang, Yunqi Liu og kolleger på Chinese Academy of Sciences bruger nu nanoclusters til at skabe multifunktionelle fotoreceptorer til biologiske proteser, og rapporterer deres resultater i Nature Communications.

Inspireret af mantis-rejen

Det visuelle system af en mantisreje bruger 16 fotoreceptorer til at udføre flere opgaver samtidigt, herunder farvegenkendelse, adaptivt syn og perception af cirkulært polariseret lys. Med naturen ofte i stand til at gøre ting, som videnskabsmænd kun kunne drømme om at opnå på et syntetisk niveau, er biomimik blevet en populær tilgang. Og da mantis-rejer har mange ønskværdige egenskaber i deres naturlige fotoreceptorer, har forskere forsøgt at efterligne deres egenskaber kunstigt ved hjælp af nanoclusters.

Nanoclusters er metalatomer, der er knyttet til beskyttende ligander. Dette er en skræddersyet tilgang, der giver anledning til justerbare fysiske egenskaber, såsom diskrete energiniveauer og betydelige båndgab på grund af kvantestørrelseseffekter. Nanoclusters tilbyder også fremragende foton-til-elektron-konvertering, hvilket gør dem til en lovende tilgang til at skabe kunstige fotoreceptorenheder.

"Nanoklynger anses for at være næste generations materialer til fortsættelsen af ​​Moores lov," fortæller Wang Fysik verden. "Men grundlæggende videnskabelige spørgsmål såsom reproducerbar fremstilling af nanocluster-baserede enheder og fotoelektrisk adfærd er forblevet uklare og uudforskede."

En kunstig nanocluster fotoreceptor

Inspireret af mantis-rejen skabte Wang og kolleger nanocluster-fotoreceptorer og brugte dem som kompakt, multi-task vision-hardware til biologiske AVS'er. "I denne forskning præsenterer vi nanocluster-indlejrede kunstige fotoreceptorer, der kombinerer evnen til fotoadaptation og cirkulært polariseret lyssyn," forklarer Wang.

For at skabe AVS'en fremstillede holdet en wafer-skala nanocluster fotoreceptor array baseret på en heterostruktur af chirale sølv nanoclusters og en organisk halvleder (pentacen). Nanoclusternes kerne-skal-natur gør det muligt for dem at fungere som et ladningsreservoir i sensoren for at justere konduktansniveauerne for de kunstige fotoreceptorer gennem en lysventilmekanisme. Dette gør det muligt for fotoreceptorsystemet at bestemme både bølgelængden og intensiteten af ​​indfaldende fotoner.

Når den forbindes med det organiske halvledermateriale på arrayet, finder en ligand-assisteret ladningsoverførselsproces sted ved nanocluster-grænsefladen. De beskyttende ligander i kerne-skalstrukturen giver en transduktionsvej, der forbinder nanoclusterne til den organiske halvleder. Denne femtosekund-skala proces letter både spektralafhængig visuel tilpasning og cirkulær polarisationsgenkendelse.

"Vi har behandlet wafer-skala fabrikation af en ensartet grænseflade mellem en nanocluster film og organiske halvledere, hvilket giver en grundlæggende for høj-densitet integration af kunstige fotoreceptorer med nanoskala fodspor," siger Wang.

Grænsefladen mellem nanoclusteren og den organiske halvleder giver det adaptive syn, hvilket gør det muligt at opnå flere funktioner med justerbar kinetik. Derudover kan cirkulær polarisationsinformation opnås på grund af, at nanoclusterne er chirale. Som sådan har holdet udviklet nanoclusters, der kombinerer farvesyn, fotoadaptation og cirkulær polariseringssyn i et enkelt fotodetektorsystem.

Denne evne til at kombinere flere synsfunktioner i et enkelt system til biologiske genkendelsesapplikationer er en svær bedrift at opnå, hvor tidligere tilgange har været nødt til at stole på flere komponenter for at udføre det samme arbejde som dette enkelt opto-elektroniske system. Holdets tilgang kan hjælpe med at bygge enklere og mere robust synshardware til neuromorfe enheder og biologisk synsrelateret AI-hardware.

"Kunstige nanocluster-fotoreceptorer udfører alt-i-en flere visuelle funktioner i en enkelt enhedscelle," siger Hanlin. "Blandt dem kan fototilpasning udløses og udføres inden for 0.45 s, med en nøjagtighed på 99.75%. Dette er den højeste ydeevne sammenlignet med den eksisterende litteratur og overgår menneskelige visuelle systemer – hvilket er omkring 1 min”.

Dernæst sigter forskerne på at øge fototilpasnings-switchhastigheder ud over 0.45 s ved nanocluster/organisk halvledergrænseflade. "I fremtiden vil vi undersøge egenskaberne ved ladningsoverførselsdynamik og producere hurtigere nanocluster-indlejrede neuromorfe systemer," slutter Wang.

Tidsstempel:

Mere fra Fysik verden