Keskkonna jälgimiseks ja reaalses maailmas navigeerimiseks peaks robotil olema võimalik omandada pilte ja keskkonnamõõtmisi erinevates taustvalgustuse tingimustes. Viimastel aastatel on teadlased ja insenerid kogu maailmas töötanud välja üha arenenumaid andureid, et integreerida robotitesse, jälgimissüsteemidesse või muudesse seadmetesse, mis tunnevad nende ümbrust.
Memes Consultingu sõnul on Hongkongi polütehnilise ülikooli, Pekingi ülikooli, Yonsei ülikooli ja Fudani ülikooli teadlased hiljuti välja töötanud uut tüüpi bioonilise nägemise anduri, mis kasutab mehhanismi, mis simuleerib võrkkesta funktsiooni kunstlikult ja mida saab kasutada mitmesugustes andmetes, mida koguti valgustingimustes. See biooniline nägemisandur põhineb molübdeeni disulfiidist valmistatud fototransistoritel.
Foto biomimeetilise nägemise anduri massiivist (vasakul); nägemisanduri ja optilise mikroskoobi kujutise skemaatiline struktuur (paremal)
"Meie uurimisrühm alustas optoelektroonilise mäluga tööd viis aastat tagasi," ütles Yang Chai, üks nägemisanduri välja töötanud teadlastest. "See arenev seade võib väljastada valgusest sõltuvaid ja ajaloost sõltuvaid signaale, võimaldades pildi integreerimist.
2018. aastal avaldas Yang Chai ja tema kolleegid esimese optoelektroonilise mälu raamatu, milles nad tutvustasid takistuslikku lülitusmäluseadet, mis suudab teha valgusseiret ja loogikaoperatsioone. Aasta hiljem tutvustas meeskond uut tüüpi fotoresistiivset juhusliku juurdepääsu mälu, millel oli kolm erinevat funktsiooni. Täpsemalt võib uus seade tajuda keskkonda, salvestada teavet mällu ja teha neuromorfseid visuaalseid eeltöötlustoiminguid.
"Me uurisime 2020. aastal sensorite ja anduritega andmetöötlusparadigmade kontseptsioone ning avaldasime oma seisukohad selles valdkonnas." Yang Chai jätkas: "See uus biomimeetilise nägemise andurite uuring tugineb meie varasematele jõupingutustele."
Ümbritseva loomuliku valguse intensiivsus on väga erinev, koguvahemikus 280 dB. Kui inimese võrkkest tajub väliseid valgussignaale, reguleerib see oma fotoretseptorite (st varraste ja koonuste) valgustundlikkust vastavalt signaali tugevusele. See võimaldab lõppkokkuvõttes inimese silmal järk-järgult kohaneda erineva valgustustasemega, võimaldades tal selgelt näha nii pimedas kui ka eredas keskkonnas, mis on võime, mida nimetatakse "visuaalseks kohanemiseks".
"Näiteks kui sisenete pimedasse kinosse eredast saalist, ei näe alguses peaaegu midagi, kuid mõne aja pärast kinos muutub asjade nägemine lihtsamaks," selgitab Yang Chai. "Seda nähtust nimetatakse scotopic kohanemiseks. Vastupidi, kui te lähete pimedast kinost päikesepaistelisse väljas, tunnete end alguses väga pimestatuna ja see võtab aega, et harjuda nägema, mis teie ümber toimub. Tumeda kohanemise vastandit nimetatakse fotograafiliseks kohanemiseks."
Yang Chai ja tema kolleegide hiljutise töö peamine eesmärk on luua nägemisandur, mis on inspireeritud inimese võrkkesta struktuurist ja funktsioonist. Selleks alustasid nad kõigepealt inimese võrkkesta uurimist ja püüdsid seejärel kujundada tajustrateegiaid, mis võimaldaksid neil visuaalseid kohandusi kunstlikult simuleerida.
CMOS-tehnoloogial põhinevad tipptasemel pildiandurid on tavaliselt piiratud dünaamilise ulatusega 70 dB. Kuid see dünaamiline vahemik on palju kitsam kui looduslike stseenide valgustusvahemik (280 dB).
"Selleks, et saavutada visuaalne taju paljudes valgustugevustes, on teadlased uurinud kontrollitud optiliste avade, vedelate läätsede, reguleeritavate kokkupuuteaegade ja algoritmide nimetamist järeltöötluses," ütles Yang Chai. "Kuid need meetodid nõuavad sageli keerulisi riist- ja tarkvararessursse."
Biomimeetilise nägemise andurite massiivide tume ja kerge kohandamine. a) tumeda kohanemiskatse skeem: vähese valgusega piltide äratundmine 8 x 8 piksli massiivi abil pimedas keskkonnas. b) Valguse kohandamise katse skemaatiline skemaatiline skeem: suure valgusvõimega kujutiste äratundmine, kasutades eredas keskkonnas massiivi 8 x 8 c) Tume kohanemisprotsess "8" mustri tuvastamiseks. d) fotoadaptatsiooniprotsess mustri "8" tuvastamiseks.
Optoelektroonilistel seadmetel, millel on valgustundlik nägemine ja lai tajumisvahemik sensoorsetes terminalides, võivad olla väga väärtuslikud rakendused. Näiteks võivad need aidata parandada arvuti nägemise tööriistade jõudlust, vähendada robotite või muude andurisüsteemide ehitamiseks vajalikku riistvara keerukust ja parandada pildituvastussüsteemide täpsust.
Kuigi teised uurimisrühmad on välja töötanud optoelektroonilised seadmed, mis suudavad varem kohaneda erinevate valgustustingimustega. Kuid enamik varem tõestatud seadmeid saab jäljendada ainult võrkkesta kerget kohanemismehhanismi. Tumedat kohanemisprotsessi on seni olnud raskem simuleerida.
"Võrkkesta visuaalse kohanemise funktsiooni täielikuks kopeerimiseks on veel pikk tee minna," selgitab Yang Chai. "Selle saavutamiseks töötasime välja fototransistoripõhise nägemisanduri, kasutades üliõhukesi pooljuhte, mis suudavad samas seadmes tumeda kohanemise ja valguse kohandamise astet juhtida erinevate väravapingete rakendamisega. Sel viisil simuleerisime võrkkestas fotoretseptoreid ja horisontaalseid rakke ning saavutasime edukalt sensatsioonivahemiku 199 dB. Nägemist kohandavad seadmed biomimeetilises anduris."
Fotoretseptorite ja võrkkesta horisontaalsete rakkude kunstlik simulatsioon visuaalseks kohandamiseks (tume kohandamine ja valguse kohandamine)
Yang Chai ja tema kolleegide poolt välja töötatud biomimeetiline nägemisandur põhineb fototransistoritel, mis on valmistatud ultrathin pooljuhtmaterjalist, mida nimetatakse molübdeeni disulfiidiks. Fototransistoritel, mida nad kasutasid, on mitu laengulõksu olekut, mis võivad kanali sees elektrone erinevatel väravapingetel kinni püüda või vabastada.
Lõppkokkuvõttes võimaldavad need riigid teadlastel oma seadmete juhtivust dünaamiliselt häälestada. See omakorda võimaldas neil kunstlikult simuleerida inimese võrkkesta tumedaid ja valgustundlikke mehhanisme, laiendades seeläbi nende anduri arusaama erinevatest valgustingimustest.
"Meie bioonilisel nägemisanduril on mitmeid eeliseid ja funktsioone," ütles Yang Chai. "Esiteks rakendatakse visuaalse kohandamise funktsiooni ühes seadmes, mis vähendab oluliselt jalajälge. Teiseks saab ühes seadmes rakendada mitut funktsiooni. , sealhulgas valgusseire, mälu ja töötlemine. Lõpuks on võimalik saavutada tumeda ja valguse kohandamine erineva valgustugevusega, kontrollides selle värava pinget.
Yang Chai ja tema kolleegid hindasid bioonilist nägemisandurit mitmetes testides ja leidsid, et see võib tõhusalt jäljendada inimese võrkkesta funktsiooni, saavutades märkimisväärseid tulemusi nii pimedas kui ka valguses kohanemisel. Lisaks on sellel varem pakutud lahendustega võrreldes oluliselt suurem tajuvahemik (199 dB).
"Meie nägemisandur võib rikastada masina nägemise funktsioone, vähendada riistvara keerukust ja saavutada kõrge pildituvastuse tõhususe," ütles Yang Chai, "Kõik need eelised on saadaval sellistes valdkondades nagu autonoomne juhtimine, näotuvastus ja tööstuslik tootmine keerulistes valgustuskeskkondades. suurepärased rakendusväljavaated."
Tulevastes uuringutes kavatsevad teadlased veelgi parandada nägemisanduri jõudlust, kasutades seda ka andurite massiividest koosnevate suuremahuliste süsteemide valmistamiseks. Ideaalis soovivad nad ehitada selle andurimassiivi painduvale või poolkerakujulisele substraadile, et võimaldada laiemat vaatevälja.
"Üks valdkond, mis vajab parandamist, on meie nägemisanduri kohanemisaeg, kuna masina nägemise rakenduste toetamiseks ei piisa ikka veel." Yang Chai lisas: "Meie eesmärk on vähendada kohanemisaega mikrosekundi tasemele. Lisaks on nägemisanduri massiivi skaala Täiendavaid parandusi on vaja ka. Meie lähiaja eesmärk massiivi suurusele on suurem kui 100 x 100 pikslit. Lõpuks on nägemisandurite ja järeltöötlusseadmete, sealhulgas ränipõhiste juhtimisahelate heterogeenne integreerimine väga oluline samm praktiliste rakenduste suunas.
GMKJ Technology tegeleb sügavalt tervislike ja nutikate valgusallikatega, pakkudes turule kõiki UVA UVB UVC LED-i, infrapuna IR LED-VCSEL tooteid ja lahendusi. Tal on sadu kvaliteetseid partnereid sise- ja välisturgudel, et ühiselt edendada valgustehnoloogia kasutamist tervisliku ja nutika elu loomiseks. .
