La retina artificial permite la percepción y la codificación de mid

Jan 23, 2024

En el impulso por desarrollar nuevos sistemas informáticos que imiten el cerebro, investigadores de Singapur y China han ideado un dispositivo de retina artificial para la percepción y el reconocimiento de objetos que emiten radiación infrarroja media (MIR). Inspirado en el funcionamiento de la vista humana, el dispositivo neuromórfico es un paso hacia una mejor visión artificial MIR, que es una tecnología importante para el diagnóstico médico, la conducción autónoma, la visión nocturna inteligente y la defensa militar.

La visión artificial infrarroja actual tiene unidades sensoriales y de procesamiento separadas físicamente, lo que crea grandes cantidades de datos redundantes. Esto no es ideal porque da como resultado ineficiencias informáticas y energéticas. En contraste, el sistema sensorial visual humano es muy eficiente, con una retina compacta que percibe y procesa datos visuales (más del 80% de los que recibe nuestro cerebro) que luego se transmiten a la corteza visual del cerebro para su posterior procesamiento. Los fotorreceptores de la retina reciben estímulos de luz continuos, que se convierten en potenciales eléctricos, y estos últimos se codifican en trenes de pulsos eléctricos llamados picos. Un tren de picos que contiene la información del estímulo viaja luego a la corteza visual.

Inspirándose en la retina biológica, Fakun Wang y Fangchen Hu de la Universidad Tecnológica de Nanyang en Singapur, junto con sus colegas, han inventado una retina optoelectrónica basada en una heteroestructura 2D de van der Waals. Esta heteroestructura consiste en una capa de fósforo arsénico negro (b-AsP) sobre una capa de telururo de molibdeno (MoTe2). Estos materiales fueron elegidos por su rápida respuesta a la luz y su alta eficiencia de absorción.

Los estudios anteriores se centraron en el desarrollo de dispositivos neuromórficos que son sensibles a la luz con longitudes de onda visibles e infrarrojas cercanas (NIR). Este estudio amplía el rango de longitudes de onda al MIR. Otra novedad importante de esta última investigación es que la función de codificación se controla ópticamente, en lugar de eléctricamente, lo que es prometedor para el funcionamiento a alta velocidad.

Los pulsos de láser NIR programables, aplicados simultáneamente con los pulsos de láser MIR, codifican la información en trenes de picos. Los pulsos NIR estocásticos cambian la corriente excitada por MIR en el dispositivo, donde se genera un pico cuando la corriente supera el valor umbral. Esto emula la codificación en la retina humana. El dispositivo da una respuesta estable a la luz incluso para una frecuencia de pulso NIR de 100 kHz, lo que garantiza una codificación de intensidad MIR de alta precisión.

Otra característica importante de los sistemas inteligentes es la adaptación. Para adaptarse a su entorno visual, el sistema de visión MIR debe tener un amplio rango de trabajo dinámico de intensidades MIR y una alta precisión de codificación. Los investigadores probaron su dispositivo con una máscara de metal con nueve figuras huecas del número "3" iluminadas por un láser MIR. Esto se usó para imitar los objetivos MIR reales, como una muestra de tejido. Encontraron una precisión de codificación excelente, con la imagen codificada igualando la imagen original con una precisión de más del 97 %. El equipo también demostró que los parámetros de pulso NIR se pueden usar para controlar el rango de trabajo dinámico y la precisión.

El ojo artificial tiene el potencial de superar la visión humana

Además, conectaron su dispositivo a lo que se considera una de las redes neuronales artificiales (ANN, por sus siglas en inglés) más eficientes y similares al cerebro, llamada red neuronal de picos. En esta ANN, las neuronas se comunican enviando y recibiendo picos como portadores de información, al igual que en el cerebro. Utilizaron este sistema para clasificar imágenes MIR de cifras numéricas en el conjunto de datos MNIST, que se utiliza para entrenar sistemas de procesamiento de imágenes, y lograron una precisión superior al 96 %.

Wang, quien dirigió la investigación, dice que su retina artificial es compatible con la tecnología CMOS y sugiere dos formas de avanzar en la investigación: "Una es mejorar las funciones del dispositivo, como integrar la función de memoria en este dispositivo, para lograr la integración de percepción, codificación, memoria y procesamiento. El otro es combinar el dispositivo con nanofotónica de onda guiada para lograr velocidades de operación más rápidas y un menor consumo de energía".

La investigación se describe en Nature Communications.