Samenvatting: Onderzoekers hebben een apparaat gemaakt dat het vermogen van het menselijk oog om kleur te zien nabootst met behulp van smalbandige perovskiet-fotodetectoren en een neuromorfisch algoritme.
Fotodetectoren, gevoelig voor rood, groen en blauw licht, bootsen onze kegelcellen na, terwijl het neuromorfe algoritme ons neurale netwerk simuleert om informatie te verwerken tot hoogwaardige beelden. In tegenstelling tot moderne camera’s die externe filters nodig hebben, kan deze technologie de resolutie verbeteren en de productiekosten verlagen.
Het apparaat wekt ook elektriciteit op omdat het licht absorbeert, wat mogelijk kan leiden tot batterijloze cameratechnologie.
Basiselementen:
- Het nieuwe apparaat, ontwikkeld door Penn State-onderzoekers, simuleert het vermogen van het menselijk oog om kleur waar te nemen met behulp van smalbandige perovskiet-fotodetectoren en een neuromorfisch algoritme.
- Deze technologie kan de behoefte aan filters die in de huidige camera’s worden gebruikt, omzeilen, die de resolutie verlagen en de fabricagecomplexiteit en -kosten verhogen.
- Het apparaat wekt energie op terwijl het licht absorbeert, wat mogelijk de weg vrijmaakt voor batterijloze cameratechnologie.
Bron: Penn staat
Geïnspireerd door de natuur hebben wetenschappers van Penn State een nieuw apparaat ontwikkeld dat beelden produceert door de rode, groene en blauwe fotoreceptoren en het neurale netwerk in menselijke ogen na te bootsen.
“We hebben een blauwdruk van de natuur geleend – ons netvlies bevat kegelcellen die gevoelig zijn voor rood, groen en blauw licht en een neuraal netwerk dat begint te verwerken wat we zien nog voordat de informatie naar onze hersenen wordt verzonden”, zegt Kai Wang, assistent . onderzoeksprofessor bij de afdeling Materials Science and Engineering van Penn State.
“Dit natuurlijke proces creëert de kleurrijke wereld die we kunnen zien.”
Om dit te bereiken in een kunstmatig apparaat, creëerden de wetenschappers een nieuwe sensorarray van smalbandige perovskiet-fotodetectoren, die onze kegelcellen nabootsen, en koppelden deze aan een neuromorfisch algoritme, dat ons neurale netwerk nabootst, om de informatie te verwerken en hoge -getrouwe afbeeldingen. .
Fotodetectoren zetten lichtenergie om in elektrische signalen en zijn essentieel voor camera’s en vele andere optische technologieën. Smalbandige fotodetectoren kunnen zich concentreren op afzonderlijke delen van het lichtspectrum, zoals de rode, groene en blauwe tinten waaruit zichtbaar licht bestaat, aldus de wetenschappers.
“In dit werk hebben we een nieuwe manier gevonden om een perovskietmateriaal te ontwerpen dat gevoelig is voor slechts één golflengte van licht”, zei Wang. “We hebben drie verschillende perovskietmaterialen gemaakt en ze zijn zo ontworpen dat ze alleen gevoelig zijn voor rood, groen of blauw.”
De technologie kan een manier zijn om het gebruik van filters in moderne camera’s te omzeilen die de resolutie verminderen en de kosten en complexiteit van de productie verhogen, aldus de wetenschappers.
Silicium fotodetectoren in camera’s absorberen licht maar onderscheiden geen kleuren. Een extern filter scheidt rood, groen en blauw, en het filter laat slechts één kleur toe om elk deel van de lichtsensor te bereiken, waardoor tweederde van het invallende licht verloren gaat.
“Als licht wordt gefilterd, gaat er wat informatie verloren en dit kan worden voorkomen met ons ontwerp. Daarom stellen we voor dat dit werk een toekomstige cameradetectietechniek kan zijn die mensen kan helpen een hogere ruimtelijke resolutie te bereiken.”
En omdat de wetenschappers perovskietmaterialen gebruikten, genereren de nieuwe apparaten energie terwijl ze licht absorberen, wat mogelijk de deur opent naar batterijloze cameratechnologie, aldus de wetenschappers.
“De structuur van het apparaat is vergelijkbaar met zonnecellen die licht gebruiken om elektriciteit op te wekken”, zegt Luyao Zheng, een postdoctoraal onderzoeker aan Penn State.
“Zodra je er een licht op laat schijnen, gaat het stroom opwekken. Dus, net als onze ogen, hoeven we geen energie te gebruiken om deze informatie uit licht op te vangen.”
Dit onderzoek kan ook leiden tot verdere ontwikkelingen in de kunstmatige netvliesbiotechnologie. Apparaten die op deze technologie zijn gebaseerd, zouden op een dag dode of beschadigde cellen in onze ogen kunnen vervangen om het gezichtsvermogen te herstellen, aldus wetenschappers.
De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang, vertegenwoordigen verschillende fundamentele doorbraken in de realisatie van smalbandige perovskiet-fotodetectoren – van materiaalsynthese tot apparaatontwerp tot systeeminnovatie, schreven de wetenschappers in het tijdschrift.
Perovskieten zijn halfgeleiders en wanneer licht deze materialen raakt, ontstaan elektron-gatparen. Door deze elektronen en gaten in tegengestelde richtingen te sturen, ontstaat er een elektrische stroom.
In deze studie creëerden de wetenschappers dunne-film perovskieten met een zeer onevenwichtig elektron-gattransport, wat betekent dat gaten sneller door het materiaal bewegen dan elektronen. Door de architectuur van ongebalanceerde perovskieten te manipuleren, of de manier waarop de lagen zijn gestapeld, ontdekten de wetenschappers dat ze eigenschappen konden benutten die verder gingen dan het omzetten van de materialen in smalbandige fotodetectoren.
Ze creëerden een reeks sensoren met deze materialen en gebruikten een projector om een beeld door het apparaat te laten schijnen. De verzamelde informatie in de rode, groene en blauwe lagen werd ingevoerd in een drielaags neuromorfisch algoritme voor signaalverwerking en beeldreconstructie.
Neuromorfe algoritmen zijn een soort computertechnologie die de werking van het menselijk brein probeert na te bootsen.
“We hebben verschillende manieren geprobeerd om de gegevens te verwerken”, zei Wang. “We hebben geprobeerd de signalen van de drie kleurlagen direct samen te voegen, maar het beeld was niet erg duidelijk. Maar wanneer we deze neuromorfe verwerking doen, komt het beeld veel dichter bij het origineel.”
Omdat het algoritme het neurale netwerk in het menselijk netvlies nabootst, zouden de bevindingen nieuw inzicht kunnen geven in het belang van deze neurale netwerken voor onze visie, aldus de wetenschappers.
“Door ons apparaat en dit algoritme met elkaar te verbinden, kunnen we laten zien dat neurale netwerkfunctionaliteit echt belangrijk is bij het verwerken van het gezichtsvermogen van het menselijk oog”, zei Wang.
Aan dit onderzoek vanuit Penn State hebben ook bijgedragen: Swaroop Ghosh, universitair hoofddocent, en Junde Li, promovendus, bij de afdeling Electrical Engineering and Computer Science. en Dong Yang, onderzoeksassistent-professor, Jungjin Yoon en Tao Ye, postdoctorale onderzoekers, en Abbey Marie Knoepfel en Yuchen Hou, promovendi, bij de afdeling Materials Science and Engineering. Shashank Priya, voormalig associate vice-president voor onderzoek en directeur van strategische initiatieven en hoogleraar materiaalkunde en -techniek, droeg ook bij.
Financiering: Het Air Force Office of Scientific Research financierde dit project. Projectonderzoekers werden ook ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, het National Institute of Food and Agriculture en de National Science Foundation.
Over dit nieuwe neurotechnologische onderzoek
Auteur: Adrian Bernard
Bron: Penn staat
Contact: Adrienne Berard – Penn State
Afbeelding: Afbeelding gecrediteerd aan Neuroscience News
Originele onderzoek: Vrije toegang.
“Retina-geïnspireerde smalbandige perovskietsensorarray voor panchromatische beeldvorming” door Kai Wang et al. Vooruitgang in de wetenschap
Abstract
Retina-geïnspireerde smalbandige perovskietsensorarray voor panchromatische beeldvorming
Het netvlies is het essentiële onderdeel van het menselijke visuele systeem dat licht ontvangt, omzet in een neuraal signaal en het doorgeeft aan de hersenen voor visuele herkenning. Retinale rode, groene en blauwe (R/G/B) kegelcellen zijn natuurlijke smalbandige fotodetectoren (PD’s) die gevoelig zijn voor R/G/B-lichten.
Door verbinding te maken met deze kegelcellen, zorgt een meerlagig neuronetwerk in het netvlies voor neuromorfe voorverwerking vóór overdracht naar de hersenen. Geïnspireerd door deze complexiteit, ontwikkelen we de smalbandige (NB) beeldsensor die de NB perovskiet R/G/B-sensorarray (die R/G/B-fotoreceptoren nabootst) combineert met een neuromorfisch algoritme (dat het intermediaire neurale netwerk nabootst) voor high-fidelity panchromatische in beeld brengen.
In vergelijking met commerciële sensoren gebruiken we “interne” NB PD perovskiet om de complexe reeks optische filters uit te sluiten. Bovendien gebruiken we een asymmetrische apparaatconfiguratie om fotostroom te oogsten zonder externe vooringenomenheid, waardoor een energievrije fotodetectiemodus mogelijk wordt.
Deze resultaten presenteren een veelbelovend ontwerp voor efficiënte en intelligente panchromatische beeldvorming.
