Sićušni senzor za noćni vid autonomnih automobila

Tim znanstvenika, predvođen istraživačima sa Sveučilišta Penn State, predložio je rješenje koje oponaša mehaniku ljudskog oka kako bi se prilagodilo od jarkog do tamnog svjetla u sekundama.

To su postigli prilagođavanjem načina na koji je izgrađena jedna od glavnih električnih komponenti korištenih u tim optičkim sustavima, primjenjujući novi dizajn koji bubri ili desorbira s vodom ovisno o prisutnim razinama svjetlosti.

Pristup, detaljno opisan u radu u časopisu Nature Communications, osvjetljava put prema izgradnji sustava koji bi potencijalno mogli obrađivati ​​svjetlosne podatke brže i prilagodljivije od ljudi.

Poboljšane komponente poznate su kao memorijski otpornici ili „memristori“, sićušni električni uređaji koji mogu pohranjivati ​​informacije ili podatke u sustavu, čak i ako se ukloni izvorni izvor napajanja koji pokreće aplikaciju. Ovi uređaji oponašaju složen način na koji neuroni obrađuju i pohranjuju podatke u mozgu.

Fotomemristori su vrsta memristora sposobnih za detekciju i prikupljanje svjetlosnih informacija, a zatim ih pretvaraju u električnu struju, proces koji bi mogao učinkovitije napajati napredne kamere i optičke sustave.

Unutar ljudskog oka, niz štapićastih i čunjićastih stanica pomaže u prilagodbi vida različitim uvjetima osvjetljenja. Specifični pigmenti u štapićima omogućuju oku da razlikuje detalje, čak i u mraku. Međutim, pri jakom svjetlu ovi pigmenti u štapićima "izblijede" prije nego što se polako regeneriraju, dok čunjići ostaju kako bi oku omogućili razaznavanje kontrastnih detalja. Tim je teoretizirao da bi ovaj proces, oponašan u fotomemristoru, mogao ponuditi prilagodljivije i točnije praćenje od tradicionalnih dizajna.

Kako bi to postigli, istraživači su izgradili svoje fotomemristore od dva različita materijala: rastezljive plastike nalik gelu poznate kao PEDOT:PSS; i titanijevog oksida (TiO2), bijelog, praškastog spoja dobivenog iz metala titana.

TiO2 može hvatati svjetlost iz okoline i pretvoriti je u električnu struju, poznatu kao fotostruja, a taj napon zatim prolazi kroz vodljivu površinu PEDOT:PSS-a i prilagođava koliko vode smije apsorbirati plastika iz okolnog okruženja.

Fotomemristor tima je prilično malen, dimenzija samo pola milimetra. Unatoč svojoj veličini, komponenta može pretvoriti svjetlosnu energiju u električnu struju za napajanje naprednih optičkih sustava.

Materijal brzo upija vodu u tamnim okruženjima, a desorbira se u svijetlim uvjetima, isušujući PEDOT:PSS. Ovaj efekt omogućuje uređaju da samoregulira svoju osjetljivost na temelju svjetlosnih informacija izvučenih iz okoline.

Tim je prvo testirao svoje uređaje izlažući ih različitim intenzitetima ultraljubičastog (UV) svjetla. Testovi su pokazali da novi fotomemristori mogu učinkovitije i točnije detektirati intenzitet UV svjetla, a istovremeno proizvoditi dosljedna očitanja bez obzira na vanjsku vlažnost. Ta fleksibilnost i korisnost dolazi u malom pakiranju, pri čemu svaki fotomemristor mjeri samo pola milimetra, nešto manje od debljine kreditne kartice.

Kako bi dodatno procijenili komponente, tim je osmislio eksperiment koji podsjeća na test koji provode oftalmolozi. Niz fotomemorristora dimenzija četiri puta četiri integriran je s neuronskom mrežom, oblikom umjetne inteligencije koja oponaša način na koji neuroni obrađuju podatke kako bi identificirali uzorke, kako bi stvorili rudimentarni sustav vida poput onih koji se koriste u automobilima i robotima.

Tim je zatim postavio niz LED svjetala u obliku slova "F" ispred veće LED pozadine, koju su mogli podesiti na različite razine svjetline i tame. To je zato što je "F" slično "E" koje se koristi u tradicionalnim testovima vida, ali ga je nešto lakše razlikovati po smjeru. Nakon podešavanja osvjetljenja, tim bi uputio sustav vida da točno identificira "F" iz pozadine.

Nakon samo sedam iteracija treniranja, uređaj u kombinaciji s neuronskom mrežom mogao je identificirati uzorke slova s ​​preko 95% točnosti u okruženju mješovitog osvjetljenja.

U budućnosti, tim planira dalje razvijati fotomemristore u veći, multimodalni sustav osjetnika sposoban za simultano interpretiranje vizualnih i taktilnih podataka iz okoline. Integracijom više oblika osjetnika u jedan uređaj, potrošnja energije ovih sustava mogla bi se znatno smanjiti.

„U dalekoj budućnosti mogli bismo vidjeti primjenu ove tehnologije kako bi se osobama s oštećenjem vida pomoglo da vide uz pomoć umjetne optike“, rekao je Larry Cheng, izvanredni profesor inženjerskih znanosti i mehanike na Sveučilištu Penn State i suautor članka, objašnjavajući da bi druga potencijalna primjena mogla biti u postojećim sustavima koji pokreću autonomna vozila. „Također bi mogla igrati važnu ulogu u interakciji i suradnji čovjeka i robota, omogućujući sustavima poput tvorničkih robota da bolje rade u mračnim ili brzo promjenjivim okruženjima.“