Katkaravun inspiroimat nanoklusterit mahdollistavat monitoimiset keinotekoiset näköjärjestelmät – Physics World

<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="Bioinspiroitu laite Vasemmalla: kaavio mantis-katkarapujen visuaalisesta järjestelmästä. Oikealla: keinotekoinen fotoreseptori, joka perustuu kiraalisiin hopeanoklustereihin ja orgaaniseen puolijohdepentaseeniin. (Kohtelias: 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”>

Tekoälyn ja autonomisten järjestelmien kehitys on lisännyt kiinnostusta tekoälyjärjestelmiin (AVS) viime vuosina. Keinotekoisen näön avulla koneet voivat "nähdä", tulkita ja reagoida ympäröivään maailmaan, aivan kuten ihmiset tekevät, kun reagoimme tilanteeseen, jonka voimme nähdä muuttuvan – esimerkiksi edessämme jarruttavaan autoon ajon aikana.

Nämä "konesilmät" tallentavat kuvia ympäröivästä maailmasta kameroiden ja antureiden avulla. Monimutkaiset laskenta-algoritmit käsittelevät sitten nämä kuvat, jolloin koneet voivat analysoida ympäristöään reaaliajassa ja vastata mahdollisiin muutoksiin tai uhkiin (riippuen niiden käyttötarkoituksesta).

AVS-laitteita on käytetty monilla aloilla, mukaan lukien kasvojentunnistus, autonomiset ajoneuvot ja visuaaliset proteesit (keinosilmät). Autonomisten ajoneuvojen ja huipputeknisten sovellusten AVS-järjestelmät ovat vakiintuneet. Ihmiskehon monimutkainen luonne tekee visuaalisen proteesin kuitenkin haastavammaksi, koska huippuluokan AVS:t eivät ole samaa monitoimisuutta ja itsesäätelytasoa kuin niiden jäljittelemät biologiset vastineet.

Monet nykyään käytössä olevat AVS:t vaativat toimiakseen useita komponentteja – ei ole olemassa valonvastaavia laitteita, jotka voisivat suorittaa useita toimintoja. Tämä tarkoittaa, että monet mallit ovat monimutkaisempia kuin niiden pitäisi olla, mikä tekee niistä vähemmän kaupallisesti toteutettavia ja vaikeampia valmistaa. Hanlin Wang, Yunqi Liu ja kollegat Kiinan tiedeakatemia käyttävät nyt nanoklustereita luodakseen monitoimisia fotoreseptoreita biologisia proteeseja varten ja raportoivat löydöstään Luonto Viestintä.

Inspiraationa mantis-katkarapu

Sirkkakatkarapujen visuaalinen järjestelmä käyttää 16 valoreseptoria useiden tehtävien suorittamiseen samanaikaisesti, mukaan lukien värintunnistus, mukautuva näkemys ja ympyräpolarisoidun valon havaitseminen. Koska luonto pystyy usein tekemään asioita, joista tiedemiehet voivat vain haaveilla synteettisellä tasolla, biomimikristä on tullut suosittu lähestymistapa. Ja koska mantis-katkaravuilla on monia toivottavia ominaisuuksia luonnollisissa fotoreseptoreissaan, tutkijat ovat yrittäneet jäljitellä niiden ominaisuuksia keinotekoisesti nanoklustereilla.

Nanoklusterit ovat metalliatomeja, jotka ovat kiinnittyneet suojaaviin ligandeihin. Tämä on räätälöitävissä oleva lähestymistapa, joka saa aikaan säädettäviä fysikaalisia ominaisuuksia, kuten erillisiä energiatasoja ja mittavia kaistanvälisiä kvanttikokovaikutuksista. Nanoklusterit tarjoavat myös erinomaisen fotoni-elektronimuunnoksen, mikä tekee niistä lupaavan lähestymistavan keinotekoisten fotoreseptorilaitteiden luomiseen.

"Nanoklustereita pidetään seuraavan sukupolven materiaaleina Mooren lain jatkamiseksi", Wang kertoo. Fysiikan maailma. "Kuitenkin tieteelliset peruskysymykset, kuten nanoklusteripohjaisten laitteiden toistettava valmistus ja valosähköinen käyttäytyminen, ovat jääneet hämäräksi ja tutkimatta."

Keinotekoinen nanoklusterin fotoreseptori

Wang ja kollegat loivat sirkkakatkarapujen innoittamana nanocluster-valoreseptoreita ja käyttivät niitä pienikokoisina monitoiminäön laitteistoina biologisiin AVS-järjestelmiin. "Tässä tutkimuksessa esittelemme nanoklusteriin upotettuja keinotekoisia fotoreseptoreita, jotka yhdistävät valosopeutumiskyvyn ja ympyräpolarisoidun valonäön", Wang selittää.

AVS:n luomiseksi ryhmä valmisti kiekon mittakaavan nanoklusterivaloreseptoriryhmän, joka perustui kiraalisten hopeananoklusterien heterorakenteeseen ja orgaaniseen puolijohteeseen (pentaseeni). Nanoklusterien ydin-kuori luonne mahdollistaa niiden toimimisen anturin sisäisenä varaussäiliönä keinotekoisten fotoreseptoreiden johtavuustasojen säätämiseksi kevyen venttiilimekanismin kautta. Tämän ansiosta fotoreseptorijärjestelmä voi määrittää sekä saapuvien fotonien aallonpituuden että intensiteetin.

Kun liitetään ryhmän orgaaniseen puolijohdemateriaaliin, nanoklusterin rajapinnassa tapahtuu ligandiavusteinen varauksensiirtoprosessi. Ydin-kuorirakenteen suojaavat ligandit tarjoavat transduktioreitin, joka yhdistää nanoklusterit orgaaniseen puolijohteeseen. Tämä femtosekunnin mittakaavaprosessi helpottaa sekä spektririippuvaista visuaalista mukautumista että ympyräpolarisaation tunnistusta.

"Olemme käsitelleet nanoklusterikalvon ja orgaanisten puolijohteiden välisen yhtenäisen rajapinnan kiekkojen mittakaavassa valmistamista, mikä tarjoaa perustan keinotekoisten fotoreseptorien korkeatiheyksiselle integroinnille nanomittakaavan jalanjäljillä", Wang sanoo.

Nanoklusterin ja orgaanisen puolijohteen välinen rajapinta tarjoaa mukautuvan näkemyksen, mikä mahdollistaa useiden toimintojen saavuttamisen viritettävällä kinetiikalla. Lisäksi voidaan saada ympyräpolarisaatioinformaatiota, koska nanoklusterit ovat kiraalisia. Sellaisenaan tiimi on kehittänyt nanoklustereita, jotka yhdistävät värinäön, valosopeutumisen ja ympyräpolarisaationäön yhdeksi valoilmaisinjärjestelmäksi.

Tämä kyky yhdistää useita näkötoimintoja yhdeksi järjestelmäksi biologisia tunnistussovelluksia varten on vaikea saavuttaa, sillä aikaisemmat lähestymistavat ovat joutuneet luottamaan useisiin komponentteihin tehdäkseen saman työn kuin tämä yksittäinen optoelektroninen järjestelmä. Tiimin lähestymistapa voisi auttaa rakentamaan yksinkertaisempaa ja kestävämpää näkölaitteistoa neuromorfisille laitteille ja biologiseen näköön liittyvään tekoälylaitteistoon.

"Keinotekoiset nanoklusterivaloreseptorit suorittavat all-in-one useita visuaalisia toimintoja yhdeksi yksikkösoluksi", Hanlin sanoo. ”Niistä valosovitus voidaan laukaista ja suorittaa 0.45 sekunnissa, ja sen tarkkuus on 99.75 %. Tämä on paras suorituskyky verrattuna olemassa olevaan kirjallisuuteen ja ylittää ihmisen visuaaliset järjestelmät – mikä on noin 1 min.

Seuraavaksi tutkijat pyrkivät lisäämään valosopeutuksen kytkentänopeuksia yli 0.45 s nanoklusterin/orgaanisen puolijohteen rajapinnassa. "Tulevaisuudessa tutkimme varauksensiirtodynamiikan ominaisuuksia ja tuotamme nopeampia nanoklusteriin upotettuja neuromorfisia järjestelmiä", Wang päättää.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• PlatonHealth. Biotekniikan ja kliinisten kokeiden älykkyys. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/shrimp-inspired-nanoclusters-enable-multifunctional-artificial-vision-systems/