(Nanoenergia em destaque) Replicar a percepção visible humana em máquinas tem sido um desafio constante para engenheiros e pesquisadores. Embora os computadores hoje possam reconhecer imagens ou analisar vídeos, esses sistemas permanecem ineficientes em comparação com o olho humano. Os sistemas típicos de visão mecânica dependem de vários dispositivos e processos separados para capturar, armazenar e interpretar dados visuais. Eles tendem a ser ávidos por energia, lentos e volumosos. Em contraste, os olhos humanos não só detectam uma imensa gama de informações, mas também as transmitem e processam com notável eficiência. Um único sinal visible pode ser analisado em tempo actual, com o cérebro interpretando rapidamente cores, movimentos e até mesmo intenções com pouca energia. Esta sofisticação pure tornou-se referência para o desenvolvimento de sistemas artificiais integrados e mais eficientes.
No entanto, as tentativas de imitar o sistema visible humano têm sido dificultadas por limitações tecnológicas, particularmente a necessidade de usar dispositivos múltiplos, muitas vezes complexos, para replicar as funções distintas dos fotorreceptores, transmissão de sinais e processamento no cérebro. Os esforços para construir sistemas mais integrados têm lutado para equilibrar as muitas demandas de entrada sensorial, retenção de memória e poder computacional. Os avanços na ciência dos materiais e na tecnologia de transistores estão aproximando os cientistas de uma solução única e eficiente.
Na vanguarda desta pesquisa está um novo tipo de transistor optoeletrônico que promete combinar múltiplas funções do sistema visible humano em um dispositivo compacto. Conforme relatado em Materiais Avançados (“Transistores optoeletrônicos multifuncionais para sistema visible bioinspirado”), esse transistor multifuncional imita os fotorreceptores do olho humano e as conexões sinápticas que transmitem sinais no cérebro. Ao contrário dos sistemas convencionais de visão mecânica que separam a captura de imagens do processamento, esta tecnologia integra essas funções numa única unidade, com potencial para reduzir drasticamente o consumo de energia e melhorar a eficiência.
O olho humano, com as suas células fotorreceptoras – cones para a visão das cores e bastonetes para a intensidade da luz – processa estímulos visuais de forma muito mais eficaz do que qualquer sistema synthetic desenvolvido até agora. Assim que a luz entra no olho, os cones e bastonetes a convertem em sinais elétricos, que são transmitidos através dos neurônios da retina e enviados ao cérebro por meio de sinapses. Esta conversão e transmissão de sinais é contínua e eficiente, permitindo ao cérebro reconhecer objetos, cores e movimentos com velocidade e precisão.
Na visão mecânica tradicional, vários dispositivos são necessários para realizar cada etapa desse processo. CMOS (semicondutor de óxido metálico complementar) sensores capturam imagens, unidades de armazenamento armazenam os dados e processadores analisam as informações. Cada uma dessas etapas é gerenciada por {hardware} separado, levando a ineficiências e tempos de processamento mais lentos. Esta fragmentação não só aumenta o tamanho e a complexidade do sistema, mas também aumenta as suas exigências energéticas, tornando-o impraticável para muitas aplicações onde a compacidade e o baixo consumo de energia são críticos.
A pesquisa de Liu oferece uma abordagem diferente. A principal inovação aqui é o desenvolvimento de um único dispositivo que pode imitar tanto os fotorreceptores sensíveis à luz quanto as funções de memória e processamento de sinais do cérebro. No centro do projeto está o uso de óxido de índio, gálio e zinco (IGZO), um materials fotossensível que forma a camada do canal do transistor, combinado com materiais ferroelétricos à base de háfnio que permitem ao dispositivo reter memória. Juntos, esses materiais permitem que o dispositivo seize, processe e armazene simultaneamente informações visuais, da mesma forma que o olho humano e o cérebro trabalham juntos.
O próprio dispositivo é capaz de modular seu comportamento com base em estímulos elétricos e ópticos, o que significa que pode ajustar sua sensibilidade dependendo do tipo e intensidade de luz que encontra. Isto é especialmente importante para imitar as diferentes funções dos bastonetes e dos cones. Sob condições de pouca luz, por exemplo, o dispositivo pode emular o comportamento dos bastonetes, que são altamente sensíveis à intensidade da luz, mas não à cor. Em condições mais claras, ele pode mudar para a função de células cônicas, detectando e distinguindo cores diferentes. Ao ajustar a tensão aplicada ao transistor, os pesquisadores podem ajustar o dispositivo para operar como um sensor tipo haste ou cone, tornando-o versátil o suficiente para lidar com uma ampla gama de tarefas visuais.
A equipe de pesquisa construiu um conjunto 3×3 desses transistores optoeletrônicos para testar ainda mais a capacidade do dispositivo de replicar a visão humana. Eles conduziram experimentos onde a matriz foi exposta a padrões de luz semelhantes a diferentes formas e letras. O dispositivo não apenas capturou a imagem, mas a manteve na memória, exibindo um “instantâneo” da imagem mesmo após a remoção da luz. Ao aplicar tensões diferentes a transistores individuais no conjunto, os pesquisadores poderiam alterar seu comportamento, permitindo que alguns transistores imitassem células bastonetes e outros agissem como células cônicas. Esta capacidade permitiu ao dispositivo processar informações de brilho e cor, um passo essential para a construção de sistemas de visão synthetic totalmente funcionais.
Além dessas funções sensoriais, o dispositivo também exibe comportamento sináptico, imitando a capacidade do cérebro de reter e processar informações ao longo do tempo. É aqui que os materiais ferroelétricos desempenham um papel essential, permitindo que o transistor “lembre” os sinais de luz que recebe mesmo depois de eles terem desaparecido. Esta função de memória não volátil é particularmente importante para aplicações como reconhecimento de imagens em tempo actual ou condução autónoma, onde é necessário processar rapidamente informação visible e tomar decisões com base nela.
Para demonstrar as aplicações práticas de sua tecnologia, a equipe de pesquisa criou um sistema de tráfego inteligente simulado. Nesse cenário, um veículo equipado com o sistema de transistor bioinspirado chega a um cruzamento e deve decidir se vai parar ou prosseguir com base na cor do semáforo e na movimentação dos pedestres. O sistema de transistor, usando sua função de discriminação de cores, pode reconhecer se a luz é vermelha ou verde. Se o semáforo estiver verde, o sistema avalia ainda se os pedestres estão atravessando a rua. Ao monitorizar o movimento dos peões e calcular a sua velocidade, o sistema pode prever se é seguro para o veículo continuar ou se deve abrandar para evitar uma colisão. Esse processo de tomada de decisão é realizado em tempo actual, sem a necessidade de sensores, processadores ou unidades de memória separados.
O que torna esta abordagem particularmente promissora é o seu potencial de expansão. Ao contrário dos sistemas anteriores que requerem múltiplos componentes, o transistor optoeletrônico completo poderia ser integrado em matrizes maiores, fornecendo a base para sistemas de visão mecânica altamente eficientes. Ao reduzir o número de dispositivos necessários para capturar e processar informação visible, esta tecnologia poderá levar a sistemas mais pequenos e mais eficientes em termos energéticos, adequados para uma vasta gama de aplicações, desde veículos autónomos até robótica avançada e até dispositivos vestíveis.
Apesar desses avanços, os desafios permanecem. Uma questão elementary é garantir a uniformidade dos materiais utilizados nos transistores. Variações nas propriedades destes materiais podem afetar o desempenho do dispositivo, particularmente quando ampliado para produção comercial. No entanto, com a investigação contínua em ciência dos materiais e técnicas de fabricação, a equipa está optimista de que estes desafios podem ser superados, abrindo caminho para a adopção generalizada de sistemas de visão bio-inspirados.
Esta pesquisa oferece um vislumbre do futuro dos sistemas inteligentes, onde a visão mecânica opera não apenas com eficiência, mas com uma elegância que reflete os sistemas naturais. O desenvolvimento de um transistor multifuncional capaz de imitar as funções complexas do sistema visible humano representa um passo significativo na criação de tecnologias visuais mais compactas, eficientes e inteligentes. À medida que estes sistemas evoluem, poderão um dia igualar a velocidade, a sensibilidade e a eficiência energética do olho humano, abrindo novas possibilidades na robótica, na automação e muito mais.
Por
Miguel
Berger
– Michael é autor de três livros da Royal Society of Chemistry:
Nanossociedade: Ultrapassando os Limites da Tecnologia,
Nanotecnologia: o futuro é minúsculoe
Nanoengenharia: as habilidades e ferramentas que tornam a tecnologia invisível
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