Crpeći inspiraciju iz prirode, naučnici Penn State razvili su novi uređaj koji proizvodi slike oponašajući crvene, zelene i plave fotoreceptore i neuronsku mrežu koja se nalazi u ljudskim očima.
„Pozajmili smo dizajn iz prirode — naše mrežnjače sadrže konusne ćelije koje su osetljive na crvenu, zelenu i plavu svetlost i neuronsku mrežu koja počinje da obrađuje ono što vidimo čak i pre nego što se informacije prenesu u naš mozak“, rekao je Kai Vang, asistent profesor istraživanja na Odseku za nauku o materijalima i inženjerstvo u Penn State. „Ovaj prirodni proces stvara šareni svet koji možemo da vidimo.“
Da bi to postigli u veštačkom uređaju, naučnici su kreirali novi niz senzora od uskopojasnih perovskitnih fotodetektora, koji oponašaju naše konusne ćelije, i povezali ga sa neuromorfnim algoritmom, koji oponaša našu neuronsku mrežu, za obradu informacija i proizvodnju slika visoke vernosti. .
Fotodetektori pretvaraju svetlosnu energiju u električne signale i neophodni su za kamere i mnoge druge optičke tehnologije. Uskopojasni fotodetektori mogu da se fokusiraju na pojedinačne delove svetlosnog spektra, kao što su crvene, zelene i plave koje čine vidljivu svetlost, rekli su naučnici.
„U ovom radu smo pronašli novi način da dizajniramo perovskitni materijal koji je osetljiv na samo jednu talasnu dužinu svetlosti“, rekao je Vang. „Napravili smo tri različita perovskitna materijala, a oni su dizajnirani na način da mogu biti osetljivi samo na crvenu, zelenu ili plavu boju.
Tehnologija bi mogla predstavljati način da se zaobiđu filteri koji se nalaze u modernim kamerama koji smanjuju rezoluciju i povećavaju troškove i složenost proizvodnje, rekli su naučnici.
Silicijumski fotodetektori u kamerama apsorbuju svetlost, ali ne razlikuju boje. Eksterni filter razdvaja crvene, zelene i plave, a filter dozvoljava samo jednoj boji da dopre do svakog dela senzora svetlosti, trošeći dve trećine dolaznog svetla.
„Kada se svetlost filtrira, dolazi do gubitka informacija i to se može izbeći korišćenjem našeg dizajna. Zato predlažemo da ovaj rad može predstavljati buduću tehniku senzora kamere koja može pomoći ljudima da dobiju višu prostornu rezoluciju.“
A pošto su naučnici koristili materijale perovskita, novi uređaji generišu energiju dok apsorbuju svetlost, potencijalno otvarajući vrata tehnologiji kamera bez baterija, rekli su naučnici.
„Struktura uređaja je slična solarnim ćelijama koje koriste svetlost za generisanje električne energije“, rekao je Lujao Dženg, postdoktorski istraživač na Penn State-u. „Kada ga upalite svetlom, on će generisati struju. Dakle, kao i naše oči, ne moramo da primenjujemo energiju da bismo uhvatili ove informacije iz svetlosti.“
Ovo istraživanje bi takođe moglo pokrenuti dalji razvoj biotehnologije veštačke mrežnjače. Prema naučnicima, uređaji zasnovani na ovoj tehnologiji mogli bi jednog dana zameniti mrtve ili oštećene ćelije u našim očima kako bi povratili vid.
Nalazi, objavljeni u časopisu Science Advances, predstavljaju nekoliko fundamentalnih otkrića u realizaciji perovskitnih uskopojasnih fotodetekcionih uređaja – od sinteze materijala do dizajna uređaja do sistemske inovacije, napisali su naučnici u časopisu.
Perovskiti su poluprovodnici i kada svetlost udari u ove materijale stvara parove elektron-rupa. Slanje ovih elektrona i rupa u suprotnim smerovima je ono što generiše električnu struju.
U ovoj studiji, naučnici su stvorili tankoslojne perovskite sa jako neuravnoteženim transportom elektron-rupa, što znači da se rupe kreću kroz materijal brže od elektrona. Manipulišući arhitekturom neuravnoteženih perovskita, ili načinom na koji su slojevi naslagani, naučnici su otkrili da mogu da iskoriste svojstva nego da pretvore materijale u uskopojasne fotodetektore.
Napravili su niz senzora sa ovim materijalima i koristili projektor da sijaju sliku kroz uređaj. Informacije prikupljene u crvenom, zelenom i plavom sloju unete su u troslojni neuromorfni algoritam za obradu signala i rekonstrukciju slike. Neuromorfni algoritmi su vrsta računarske tehnologije koja nastoji da oponaša rad ljudskog mozga.
„Pokušali smo na različite načine da obradimo podatke“, rekao je Vang. „Pokušali smo direktno da spojimo signale iz tri sloja boja, ali slika nije bila baš jasna. Ali kada uradimo ovu neuromorfnu obradu, slika je mnogo bliža originalu.“
Budući da algoritam oponaša neuronsku mrežu u ljudskim retinama, nalazi bi mogli pružiti novi uvid u važnost ovih neuronskih mreža za našu viziju, rekli su naučnici.
„Udruživanjem našeg uređaja i ovog algoritma zajedno, možemo pokazati da je funkcionalnost neuronske mreže zaista važna u obradi vida u ljudskim očima“, rekao je Vang.
Takođe su doprineli ovom istraživanju iz Penn State-a: Svaroop Goš, vanredni profesor, i Junde Li, doktorant, na Odseku za elektrotehniku i računarstvo; i Dong Jang, docent istraživač, Jungjin Ioon i Tao Ie, postdoktorski istraživači, i Abbei Marie Knoepfel i Iuchen Hou, doktorski kandidati, na Odseku za nauku o materijalima i inženjerstvo. Shashank Priia, bivši potpredsednik za istraživanje i direktor strateških inicijativa i profesor nauke o materijalima i inženjerstva, takođe je doprineo.
