A retina artificial permite a percepção e codificação do meio

Jan 23, 2024

No esforço para desenvolver novos sistemas de computação que imitam o cérebro, pesquisadores em Cingapura e na China criaram um dispositivo de retina artificial para a percepção e reconhecimento de objetos que emitem radiação infravermelha média (MIR). Inspirado no funcionamento da visão humana, o dispositivo neuromórfico é um passo em direção a uma melhor visão de máquina MIR, que é uma tecnologia importante para diagnóstico médico, direção autônoma, visão noturna inteligente e defesa militar.

A visão de máquina infravermelha atual tem unidades sensoriais e de processamento separadas fisicamente, o que cria grandes quantidades de dados redundantes. Isso não é ideal porque resulta em ineficiências de computação e energia. Em contraste, o sistema sensorial visual humano é muito eficiente, com uma retina compacta que percebe e processa dados visuais – mais de 80% do nosso cérebro recebe – que são então transmitidos ao córtex visual do cérebro para processamento posterior. Os fotorreceptores da retina recebem estímulos luminosos contínuos, que são convertidos em potenciais elétricos, e estes são então codificados em trens de pulsos elétricos chamados picos. Um trem de picos contendo as informações do estímulo então viaja para o córtex visual.

Inspirados pela retina biológica, Fakun Wang e Fangchen Hu, da Nanyang Technological University, em Cingapura, juntamente com colegas, inventaram uma retina optoeletrônica baseada em uma heteroestrutura 2D de van der Waals. Essa heteroestrutura consiste em uma camada de fósforo preto arsênico (b-AsP) sobre uma camada de telureto de molibdênio (MoTe2). Esses materiais foram escolhidos por sua rápida resposta à luz e alta eficiência de absorção.

Estudos anteriores se concentraram no desenvolvimento de dispositivos neuromórficos sensíveis à luz com comprimentos de onda visíveis e infravermelhos próximos (NIR). Este estudo estende a gama de comprimentos de onda para o MIR. Outra novidade importante desta última pesquisa é que a função de codificação é acionada opticamente, e não eletricamente, o que é promissor para operação em alta velocidade.

Pulsos de laser NIR programáveis, aplicados simultaneamente com pulsos de laser MIR, codificam as informações em trens de picos. Os pulsos NIR estocásticos alteram a corrente excitada por MIR no dispositivo, onde um pico é gerado quando a corrente excede o valor limite. Isso emula a codificação na retina humana. O dispositivo fornece uma resposta estável à luz mesmo para uma frequência de pulso NIR de 100 kHz, o que garante codificação de intensidade MIR de alta precisão.

Outra característica importante dos sistemas inteligentes é a adaptação. Para se adaptar ao seu ambiente visual, o sistema de visão MIR deve ter uma ampla faixa dinâmica de trabalho de intensidades MIR e alta precisão de codificação. Os pesquisadores testaram seu dispositivo com uma máscara de metal com nove figuras ocas do número "3" iluminadas por um laser MIR. Isso foi usado para imitar os alvos MIR reais, como uma amostra de tecido. Eles encontraram excelente precisão de codificação, com a imagem codificada correspondendo à imagem original com uma precisão de mais de 97%. A equipe também mostrou que os parâmetros de pulso NIR podem ser usados ​​para controlar a faixa dinâmica de trabalho e a precisão.

O olho artificial tem o potencial de superar a visão humana

Além disso, eles conectaram seu dispositivo ao que é considerado uma das redes neurais artificiais (ANNs) mais eficientes e semelhantes ao cérebro, chamadas de rede neural de pico. Nesta ANN, os neurônios se comunicam enviando e recebendo picos como portadores de informações, bem como no cérebro. Eles usaram esse sistema para classificar imagens MIR de figuras numéricas no conjunto de dados MNIST, que é usado para treinar sistemas de processamento de imagens, e alcançaram uma precisão superior a 96%.

Wang, que liderou a pesquisa, diz que sua retina artificial é compatível com a tecnologia CMOS e sugere duas maneiras de aprofundar a pesquisa: "Uma é melhorar as funções do dispositivo, como integrar a função de memória a este dispositivo, para realizar a integração de percepção, codificação, memória e processamento. A outra é combinar o dispositivo com nanofotônica de onda guiada para atingir velocidades operacionais mais rápidas e menor consumo de energia."