ATLANTA—I ricercatori della Georgia State University hanno progettato con successo un nuovo tipo di dispositivo di visione artificiale che incorpora una nuova architettura di impilamento verticale e consente una maggiore profondità di riconoscimento del colore e scalabilità a livello micro. La nuova ricerca è pubblicata sulla rivista ACS Nano .
“Questo lavoro è il primo passo verso la nostra destinazione finale: sviluppare una fotocamera in microscala per microrobot”, afferma Sidong Lei, assistente professore di fisica, che ha guidato la ricerca. “Illustriamo il principio fondamentale e la fattibilità per costruire questo nuovo tipo di sensore di immagine con enfasi sulla miniaturizzazione”.
Il team di Lei è stato in grado di gettare le basi per il dispositivo biomimetico di visione artificiale, che utilizza metodi sintetici per imitare i processi biochimici, utilizzando la nanotecnologia.
“È noto che oltre l’80% delle informazioni viene catturato dalla visione nella ricerca, nell’industria, nei farmaci e nella nostra vita quotidiana”, afferma. “Lo scopo finale della nostra ricerca è sviluppare una fotocamera in microscala per microrobot in grado di entrare in spazi ristretti che sono intangibili con i mezzi attuali e aprire nuovi orizzonti nella diagnosi medica, nello studio ambientale, nella produzione, nell’archeologia e altro ancora”.
Questo “occhio elettrico” biomimetico fa avanzare il riconoscimento del colore, la funzione visiva più critica, che nella ricerca attuale viene persa a causa della difficoltà di ridimensionare i dispositivi di rilevamento del colore prevalenti. I sensori di colore convenzionali in genere adottano un layout del canale di rilevamento del colore laterale e consumano una grande quantità di spazio fisico e offrono un rilevamento del colore meno accurato.
I ricercatori hanno sviluppato l’esclusiva tecnica di impilamento che offre un nuovo approccio alla progettazione dell’hardware. Dice che la struttura di rilevamento del colore verticale potenziata da semiconduttori di van der Waals offre una capacità di riconoscimento del colore precisa che può semplificare la progettazione del sistema di lenti ottiche per il ridimensionamento dei sistemi di visione artificiale.
Ningxin Li, uno studente laureato nel Functional Materials Studio del Dr. Lei che faceva parte del team di ricerca, afferma che i recenti progressi tecnologici rendono possibile il nuovo design.
“Le nuove funzionalità ottenute nella nostra architettura del sensore di immagine dipendono tutte dai rapidi progressi dei semiconduttori van der Waals negli ultimi anni”, afferma Li. “Rispetto ai semiconduttori convenzionali, come il silicio, possiamo controllare con precisione la struttura della banda del materiale van der Waals, lo spessore e altri parametri critici per rilevare i colori rosso, verde e blu”.
Il sensore di colore verticale potenziato per semiconduttori van der Waals (vdW-Ss) rappresenta una classe di materiali appena emersa, in cui i singoli strati atomici sono legati da deboli forze di van der Waals. Costituiscono una delle piattaforme più importanti per scoprire nuova fisica e progettare dispositivi di prossima generazione.
“L’ultrasottilezza, la flessibilità meccanica e la stabilità chimica di questi nuovi materiali semiconduttori ci consentono di impilarli in ordini arbitrari. Quindi, stiamo effettivamente introducendo una strategia di integrazione tridimensionale in contrasto con l’attuale layout della microelettronica planare. La maggiore densità di integrazione è il motivo principale per cui la nostra architettura del dispositivo può accelerare il ridimensionamento delle telecamere”, afferma Li.
La tecnologia è attualmente in attesa di brevetto presso l’ Office of Technology Transfer & Commercialization (OTTC) dello Stato della Georgia . OTTC prevede che questo nuovo design sarà di grande interesse per alcuni partner del settore. “Questa tecnologia ha il potenziale per superare alcuni dei principali inconvenienti riscontrati con i sensori di corrente”, afferma il direttore di OTTC, Cliff Michaels. “Man mano che la nanotecnologia avanza e i dispositivi diventano più compatti, questi sensori di colore più piccoli e altamente sensibili saranno incredibilmente utili”.
I ricercatori ritengono che la scoperta potrebbe persino generare progressi per aiutare i non vedenti un giorno.
“Questa tecnologia è fondamentale per lo sviluppo di occhi elettronici biomimetici e anche di altri dispositivi protesici neuromorfici”, afferma Li. “Il rilevamento del colore di alta qualità e la funzione di riconoscimento delle immagini possono offrire nuove possibilità di percezione degli oggetti colorati per i non vedenti in futuro.”
Lei afferma che il suo team continuerà a portare avanti queste tecnologie avanzate utilizzando ciò che hanno imparato da questa scoperta.
“Questo è un grande passo avanti, ma stiamo ancora affrontando sfide scientifiche e tecniche, ad esempio l’integrazione su scala di wafer. I sensori di immagine commerciali possono integrare milioni di pixel per fornire immagini ad alta definizione, ma questo non è stato ancora implementato nel nostro prototipo”, afferma. “Questa integrazione su larga scala di dispositivi semiconduttori di van der Waals è attualmente una sfida critica che deve essere superata dall’intera società di ricerca. Insieme ai nostri collaboratori a livello nazionale, è qui che il nostro team sta dedicando i nostri sforzi”.
