Исследователи из Университета штата Джорджия успешно разработали устройство искусственного зрения нового типа, которое включает в себя новую архитектуру вертикального стека и обеспечивает большую глубину распознавания цвета и масштабируемость на микроуровне. Новое исследование опубликовано в ведущем журнале ACS Nano.

«Эта работа — первый шаг к нашей конечной цели — разработке микрокамеры для микророботов», — говорит доцент кафедры физики Сидонг Лей, руководивший исследованием. «Мы иллюстрируем фундаментальный принцип и возможность создания этого нового типа датчика изображения с упором на миниатюризацию».

Команда Лея смогла заложить основу для биомиметического устройства искусственного зрения, которое использует синтетические методы для имитации биохимических процессов с использованием нанотехнологий.

«Хорошо известно, что более 80 процентов информации улавливается зрением в исследованиях, промышленности, медицине и нашей повседневной жизни», — говорит он. «Конечная цель нашего исследования — разработать микрокамеру для микророботов, которые могут проникать в узкие пространства, неосязаемые современными средствами, и открывать новые горизонты в медицинской диагностике , изучении окружающей среды, производстве, археологии и многом другом».

Этот биомиметический «электрический глаз» улучшает распознавание цвета, наиболее важную функцию зрения, которая упускается из виду в текущих исследованиях из-за сложности уменьшения масштаба преобладающих устройств восприятия цвета. Обычные датчики цвета обычно используют боковую компоновку канала восприятия цвета, занимают много места и обеспечивают менее точное определение цвета.

Лей и его команда разработали уникальную технику стекирования, которая предлагает новый подход к проектированию оборудования. Он говорит, что полупроводниковая вертикальная структура восприятия цвета Ван-дер-Ваальса предлагает возможность точного распознавания цвета, которая может упростить конструкцию системы оптических линз для уменьшения масштаба систем искусственного зрения.

Нинсинь Ли, аспирант студии функциональных материалов доктора Лея, которая была частью исследовательской группы, говорит, что последние достижения в области технологий сделали возможным новый дизайн.

«Новая функциональность, достигнутая в нашей архитектуре датчика изображения, полностью зависит от быстрого прогресса ван-дер-ваальсовых полупроводников в последние годы», — говорит Ли. «По сравнению с обычными полупроводниками, такими как кремний, мы можем точно контролировать структуру зон Ван-дер-Ваальса, толщину и другие критические параметры для восприятия красного, зеленого и синего цветов».

Полупроводниковый вертикальный датчик цвета Ван-дер-Ваальса (vdW-Ss) представляет собой недавно появившийся класс материалов, в которых отдельные атомные слои связаны слабыми ван-дер-ваальсовыми силами. Они представляют собой одну из самых известных платформ для открытия новой физики и разработки устройств следующего поколения.

«Сверхтонкость, механическая гибкость и химическая стабильность этих новых полупроводниковых материалов позволяют нам укладывать их друг на друга в произвольном порядке. Таким образом, мы фактически внедряем стратегию трехмерной интеграции в отличие от нынешней планарной схемы микроэлектроники. более высокая плотность интеграции — основная причина, по которой архитектура нашего устройства может ускорить уменьшение масштаба камер», — говорит Ли.

В настоящее время технология находится на рассмотрении патента в Управлении передачи технологий и коммерциализации штата Джорджия (OTTC). OTTC ожидает, что этот новый дизайн вызовет большой интерес у некоторых отраслевых партнеров. «У этой технологии есть потенциал для преодоления некоторых ключевых недостатков, присущих современным датчикам, — говорит директор OTTC Клифф Майклс. — По мере развития нанотехнологий и компактности устройств эти меньшие по размеру высокочувствительные цветовые датчики будут невероятно полезны».

Исследователи полагают, что открытие может даже привести к прогрессу, который однажды поможет людям с нарушениями зрения.

«Эта технология имеет решающее значение для разработки биомиметических электронных глаз, а также других нейроморфных протезов», — говорит Ли. «Высококачественное определение цвета и функция распознавания изображений могут открыть новые возможности восприятия цветных предметов для слабовидящих в будущем».

Лей говорит, что его команда продолжит продвигать эти передовые технологии, используя то, что они узнали из этого открытия.

«Это большой шаг вперед, но перед нами все еще стоят научные и технические задачи , например, интеграция в масштабе пластины. Коммерческие датчики изображения могут объединять миллионы пикселей для получения изображений высокой четкости, но это не было реализовано в нашем пока прототип», — говорит он. «Эта крупномасштабная интеграция полупроводниковых устройств Ван-дер-Ваальса в настоящее время является критической проблемой, которую необходимо решить всему исследовательскому сообществу. Вместе с нашими сотрудниками в Окриджской национальной лаборатории наша команда направляет свои усилия именно на это».