Репортаж от Wedoany，Исследовательская группа под руководством Университета штата Пенсильвания (Penn State) разработала новый тип фотоэлектрического мемристора, имитирующего механизм адаптации человеческого глаза. Устройство способно адаптироваться от яркого освещения к темноте за считанные секунды, что может повысить надежность зрения автономных автомобилей и прецизионных роботов в условиях смешанного освещения.
Исследование было опубликовано 9 июня в журнале Nature Communications. Изменив конструкцию ключевого электрического компонента в оптической системе, исследователи добились того, что он может впитывать воду и расширяться или терять воду и сжиматься в зависимости от уровня освещенности, динамически регулируя чувствительность. Этот компонент называется мемристором — микроустройством, способным хранить данные даже после отключения питания, имитирующим способность мозга обрабатывать и хранить информацию. Фотоэлектрические мемристоры (photomemristors) могут воспринимать и собирать световую информацию, преобразуя ее в электрический ток для питания передовых камер и оптических систем.
Традиционные фотоэлектрические мемристоры обычно калибруются и оптимизируются для постоянных условий освещения, что затрудняет сохранение точности распознавания при изменяющемся или смешанном освещении. Ларри Ченг, доцент кафедры инженерной механики и наук имени Джеймса Л. Хендерсона-младшего в Университете штата Пенсильвания и соавтор-корреспондент статьи, отметил, что при движении автономного автомобиля ночью контраст между темным небом и яркими фарами встречного транспорта создает условия смешанного освещения, в которых искусственные оптические системы часто допускают ошибки при распознавании деталей, таких как свечение красных огней.
Палочки и колбочки в человеческом глазу помогают зрению адаптироваться к разному освещению: палочки позволяют глазу различать детали в темноте, но при ярком свете их пигмент «выцветает», а затем медленно восстанавливается; колбочки же остаются, позволяя глазу различать контрастные детали. Исследовательская группа применила этот механизм в конструкции фотоэлектрического мемристора. Для создания устройства они использовали в основном два материала: растяжимый гелеобразный пластик PEDOT:PSS и оксид титана (TiO2). TiO2 захватывает свет и преобразует его в фототок, напряжение которого проходит через поверхность PEDOT:PSS и регулирует количество воды, поглощаемой пластиком из окружающей среды. В темноте материал быстро впитывает воду; на свету он высыхает, что позволяет устройству самостоятельно регулировать чувствительность в зависимости от информации об окружающем освещении.
Ларри Ченг отметил, что это ключевое конструктивное отличие позволяет системе динамически адаптироваться к изменяющимся условиям освещения, в отличие от традиционных систем, обычно разрабатываемых для одного статического сценария. Сначала команда протестировала устройство, подвергая его воздействию ультрафиолетового (УФ) излучения различной интенсивности. Результаты показали, что новый фотоэлектрический мемристор эффективно и точно определяет интенсивность УФ-излучения, не подвергаясь влиянию внешней влажности. Диаметр каждого мемристора составляет всего полмиллиметра, что немного меньше толщины кредитной карты. Ларри Ченг считает, что устройство можно масштабировать в зависимости от потребностей приложения, соединяя их в массивы, что позволит лучше распознавать крупные световые паттерны без увеличения размера отдельных элементов.
Для дальнейшей оценки производительности команда разработала эксперимент, имитирующий тест у офтальмолога: массив фотоэлектрических мемристоров размером 4×4 был интегрирован с нейронной сетью, образуя базовую систему зрения, аналогичную используемой в автомобилях и роботах. Светодиоды были расположены в форме буквы «F» на фоне с регулируемой яркостью и степенью затемнения. После семи итераций обучения точность распознавания буквенного паттерна устройством и нейронной сетью в условиях смешанного освещения превысила 95%. Ларри Ченг отметил, что человеческому глазу требуется от 20 до 30 минут для полной адаптации к разному освещению, в то время как этот фотоэлектрический мемристор адаптируется значительно быстрее, одновременно улавливая детальную информацию о внешней среде.
В будущем команда планирует разработать фотоэлектрический мемристор в составе более крупной мультимодальной сенсорной системы, способной одновременно интерпретировать визуальные и тактильные данные, что позволит значительно снизить энергопотребление системы. Ларри Ченг отметил, что в долгосрочной перспективе эта технология может помочь людям с нарушениями зрения восстановить зрение с помощью искусственных оптических устройств, а также может быть использована в существующих силовых системах автономных автомобилей или в человеко-машинном взаимодействии и сотрудничестве, позволяя таким системам, как заводские роботы, лучше работать в темноте или в быстро меняющихся условиях. Команда уже подала предварительную заявку на патент на эту технологию. Ларри Ченг также работает на кафедрах машиностроения, биомедицинской инженерии, строительной инженерии, промышленного и производственного машиностроения, материаловедения и инженерии, а также в Институте материалов.
Данный материал скомпилирован платформой Wedoany. При цитировании материалов, созданных с помощью искусственного интеллекта (ИИ), необходимо обязательно указывать источник — «Wedoany». В случае выявления нарушения прав или иных проблем просим своевременно информировать нас. Сайт оперативно внесёт изменения или удалит материал.Электронная почта: news@wedoany.com
