Новые биосенсоры дадут машинам зрение, подобное человеческому
Датчики зрения используются в автономных транспортных средствах и на производстве. Созданные на основе биотехнологий, они могут открыть новое поколение систем искусственного зрения, а также найти новые применения в граничных вычислениях и в Интернете вещей.
«Они значительно улучшат системы машинного зрения, используемые для визуального анализа и задач идентификации», — сказал доктор Чай Янг, доцент кафедры прикладной физики и помощник декана (по исследованиям) факультета прикладных наук и текстиля Гонконгского политехнического университета, возглавлявший исследование.
Улучшение машинного зрения
Системы машинного зрения — это камеры и компьютеры, которые захватывают и обрабатывают изображения для таких задач, как распознавание лиц. Они должны иметь возможность «видеть» объекты в широком диапазоне условий освещения, что требует сложных схем и алгоритмов. В отличие от человеческого мозга, такие системы редко бывают достаточно эффективны для обработки большого объема визуальной информации в режиме реального времени.
Вместо того, чтобы полагаться на внутренние вычисления, новые биосенсоры напрямую адаптируют датчики к различной интенсивности света. Человеческий глаз адаптируется к разным уровням освещенности, от очень темного до очень яркого и наоборот, что позволяет нам точно идентифицировать объекты в различных условиях освещения. Новые датчики призваны имитировать эту адаптивность.
«Человеческий зрачок помогает регулировать количество света, попадающего в глаз, но основная адаптация к яркости осуществляется клетками сетчатки», — сказал доктор Чай.
Интенсивность естественного света составляет 280 дБ. По сравнению с обычными датчиками на основе кремния имеющими диапазон 70 дБ, новые датчики, разработанные командой доктора Чай, имеют эффективный диапазон до 199 дБ. Сетчатка человека может адаптироваться к окружающей среде от солнечного света до света, исходящего от звёзд, в диапазоне около 160 дБ.
Разработка световых детекторов
Чтобы достичь этого, исследовательская группа разработала детекторы света (называемые фототранзисторами) с использованием двойного слоя сверхтонкого дисульфида молибдена атомарного уровня - полупроводника с уникальными электрическими и оптическими свойствами. Затем исследователи ввели в двойной слой «состояния ловушки заряда» — примеси или дефекты в кристаллической структуре твердого тела, которые ограничивают движение заряда.
Эти состояния ловушек позволяют хранить световую информацию, и динамически модулировать оптоэлектронные свойства устройства на уровне пикселей. Управляя движением электронов, состояния ловушки позволили исследователям точно регулировать количество электричества, проводимого фототранзисторами. Это, в свою очередь, позволило им контролировать светочувствительность устройства или его способность обнаруживать свет.
Каждый из новых датчиков зрения состоит из массивов таких фототранзисторов. Они имитируют палочки и колбочки человеческого глаза, которые соответственно отвечают за обнаружение тусклого и яркого света. В результате датчики могут обнаруживать объекты в условиях различной освещенности, а также переключаться между различными уровнями яркости и адаптироваться к ним с еще большим диапазоном, чем человеческий глаз.
«Датчики упрощают аппаратное обеспечение и значительно повышают контрастность изображения при различных условиях освещения, тем самым обеспечивая высокую эффективность распознавания», — сказал д-р Чай.
