Wetenschappers ontwerpen kunstmatig zichtapparaat

Wetenschappers aan de Georgia State University hebben met succes een soort kunstmatig zichtapparaat ontwikkeld dat kan leiden tot de ontwikkeling van een “elektrisch oog”. Het nieuwe apparaat maakt gebruik van een novum verticale stapelarchitectuur die een grotere diepte van kleurherkenning en schaalbaarheid op micro-niveau mogelijk maakt.

Het nieuwe onderzoek werd gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano.

Uiteindelijke microschaalcamera’s voor microbots

Sidong Lei is een assistent-professor in de natuurkunde en de hoofdauteur van het onderzoek.

“Dit werk is de eerste stap naar ons einddoel – het ontwikkelen van een microschaalcamera voor microrobots,” zei Siding Lei. “We laten het fundamentale principe en de haalbaarheid zien om dit nieuwe type beeldsensor te construeren met de nadruk op miniaturisatie.”

Het werk dat door Lei’s team is voltooid, kan leiden tot een biomimetisch kunstmatig zichtapparaat dat synthetische methoden gebruikt om biochemische processen na te bootsen. Dit kan worden bereikt door nanotechnologie te gebruiken.

“Het is algemeen bekend dat meer dan 80 procent van de informatie wordt vastgelegd door zicht in onderzoek, industrie, medicatie en ons dagelijks leven,” gaat hij verder. “Het uiteindelijke doel van ons onderzoek is om een micro-schaalcamera voor microrobots te ontwikkelen die in smalle ruimtes kan komen die onbereikbaar zijn met de huidige middelen, en om nieuwe horizonten te openen in medische diagnose, milieustudie, productie, archeologie en meer.”

Biometrisch “elektrisch oog”

Dit nieuwe biometrische “elektrisch oog” verbetert de kleurherkenning, wat de meest kritieke zichtfunctie is. Dit is extreem belangrijk, gezien conventionele kleursensoren meestal veel fysieke ruimte in beslag nemen en minder nauwkeurige kleurdetectie bieden.

Ningxin Li is een graduate student in Dr. Lei’s Functional Materials Studio.

“De nieuwe functionaliteit die we hebben bereikt in onze beeldsensorarchitectuur, hangt af van de snelle vooruitgang van van der Waals-halfgeleiders in de afgelopen jaren,” zegt Li. “In vergelijking met conventionele halfgeleiders, zoals silicium, kunnen we de van der Waals-materiaalbandstructuur, dikte en andere cruciale parameters nauwkeurig controleren om de rode, groene en blauwe kleuren te detecteren.”

De van der Waals-halfgeleiders, die afhankelijk zijn van verticale kleursensoren, behoren tot een nieuwe klasse van materialen waarin individuele atoomlagen zijn verbonden door zwakke van der Waals-krachten. Ze zijn cruciaal voor het ontdekken van nieuwe fysica en het ontwerpen van next-gen apparaten.

“De ultra-dunne, mechanische en chemische stabiliteit van deze nieuwe halfgeleidermaterialen stellen ons in staat om ze in willekeurige volgorde te stapelen. Dus, we introduceren eigenlijk een driedimensionale integratiestrategie in tegenstelling tot de huidige planaire micro-elektronica-indeling. De hogere integratiedichtheid is de belangrijkste reden waarom onze apparaatarchitectuur de downsizing van camera’s kan versnellen,” zegt Li.

Octrooigemachtigde technologie

Deze nieuwe technologie is octrooigemachtigd bij het Office of Technology Transfer & Commercialization (OTTC) van de Georgia State.

Cliff Michaels is de directeur van OTTC.

“Naarmate de nanotechnologie vordert en apparaten compacter worden, zullen deze kleinere, hooggevoelige kleursensoren ontzettend nuttig zijn,” zei Michaels.

Volgens de onderzoekers kan de nieuwe ontdekking helpen bij de ontwikkeling van apparaten voor mensen met een visuele beperking.

“Deze technologie is cruciaal voor de ontwikkeling van biomimetische elektronische ogen en andere neuromorfische prothesedevices,” zegt Li. “Hoge kwaliteit kleurherkenning en beeldherkenningsfunctie kunnen nieuwe mogelijkheden bieden voor het waarnemen van kleurrijke voorwerpen voor mensen met een visuele beperking in de toekomst.”

“Dit is een grote stap vooruit, maar we staan nog voor wetenschappelijke en technische uitdagingen, zoals wafer-schaalintegratie. Commerciële beeldsensoren kunnen miljoenen pixels integreren om high-definition beelden te leveren, maar dit is nog niet geïmplementeerd in ons prototype,” gaat hij verder. “Deze grootschalige van der Waals-halfgeleiderapparaatintegratie is momenteel een kritieke uitdaging die moet worden overwonnen door de hele onderzoeksmaatschappij. Samen met onze landelijke medewerkers is dat waar ons team zich op richt.”