Un sensor innovador inspirado en Ojos bajo el mar
- centroopticafcbi
- Mar 26, 2021
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Updated: May 27, 2021
Marzo, 19 2021
Un fotodetector orgánico, inspirado en el camarón mantis, va más allá de la innovación de la naturaleza para combinar imágenes hiperespectrales y de polarización en un solo píxel, informa un equipo dirigido por investigadores de la Universidad Estatal de Carolina del Norte (NCSU), EE. UU.
Esta modalidad de detección compacta y poderosa podría convertirse en una nueva herramienta importante con un amplio potencial para diversas áreas de la ciencia y la tecnología, incluidas las tareas de clasificación impulsadas por la inteligencia artificial, la detección química y la observación astronómica del espacio profundo, dicen los coautores Ali Altaqui, Brendan T.O 'Connor, Michael Kudenov y colegas de los Departamentos de Ingeniería Eléctrica e Informática e Ingeniería Mecánica y Aeroespacial de NCSU.
El sistema de imágenes que desarrollaron se inspira en la naturaleza, dejando de lado los materiales inorgánicos en favor de la energía fotovoltaica orgánica apilada sensible a la polarización (P-OPV) y los retardadores de polímero plegado (FR). Según se informa, el sensor puede captar 15 canales espectrales en un ancho de banda de 350 nm, mientras que se informa que el detector registra simultáneamente cuatro canales espectrales y tres de polarización.
Si bien los ojos de los animales invertebrados han desarrollado una variedad de capacidades visuales diferentes para servir en sus nichos ecológicos, dice Altaqui, "la visión del camarón mantis pone todo en vergüenza". Los crustáceos marinos pueden detectar hasta 12 colores, tienen una visión de polarización total y pueden rotar sus ojos en tres grados de libertad: guiñada, cabeceo y torsión. Además, sus ojos compuestos están equipados con elementos de placa de cuarto de onda súper acromáticos, lo que les permite modular y detectar la luz de manera eficiente.
Por lo tanto, el equipo de NCSU "se inspiró en las características estructurales y funcionales del ojo del camarón mantis", según Altaqui. El ojo compuesto de estos estomatópodos, explica, contiene elementos espectralmente selectivos (células retinulares pigmentadas) y elementos sensibles a la polarización (microvellosidades escalonadas) apilados verticalmente a lo largo de un solo eje óptico.
“A medida que la luz se propaga más profundamente en la pila, el camarón mantis extrae más información espectral y de polarización”, dice Altaqui. "De manera análoga, nuestro sensor orgánico comprende elementos espectralmente selectivos, los retardadores plegados y elementos sensibles a la polarización, los fotovoltaicos orgánicos, apilados verticalmente a lo largo de un solo eje óptico". La información espectral y de polarización se detecta de manera similar al ojo del camarón mantis, dice, lo que permite la detección espectral y polarimétrica simultánea.
En honor a la colorida y diminuta criatura marina, los investigadores han llamado a su dispositivo el sensor multiespectral y sensible a la polarización (SIMPOL) inspirado en los estomatópodos.
Si bien está inspirado en los sensores de imagen de los estomatópodos, Altaqui cree que el nuevo dispositivo en realidad va más allá de ellos, al combinar imágenes multiespectrales y de polarización en un solo píxel. El equipo de investigación, que también incluye investigadores de la Universidad de Carolina del Norte, Chapel Hill, EE. UU., Y KAIST, República de Corea, está convencido de que su fotodetector orgánico compacto superaría radicalmente a los sensores existentes, incluidas las cámaras de teléfonos inteligentes, y sería capaz de adquirir más colores con una resolución espacial más alta, es decir, un mayor número de píxeles.
Kudenov explica, “si quieres nueve colores y tienes una cámara de silicio de 9 megapíxeles, puedes combinar nueve de tus píxeles en uno de los llamados 'superpíxeles'. Pero al final del día, todavía te queda una imagen de 1 megapíxel ".
Con los materiales orgánicos en el sensor SIMPOL del equipo, dice Kudenov, “podríamos tener nueve colores con nueve megapíxeles cada uno, 81 megapíxeles en total, en los que todos los píxeles de color están dispuestos directamente uno encima del otro en la cámara. No tenemos que sacrificar la cantidad total de píxeles de imagen que queremos obtener en color, como se hace en muchos de los sensores de las cámaras actuales. También podemos obtener información de polarización como un bono ”, dice.
Los investigadores creen que su sistema es potencialmente mucho más compacto y funcional que el estado actual de la técnica para modalidades de imágenes combinadas, imágenes de polarización espectral (SPI). Si bien SPI juega un papel crucial en la obtención de imágenes biomédicas (por ejemplo, en la obtención de imágenes de cáncer), el hardware es voluminoso y presenta problemas en la calidad de la imagen y las limitaciones de color debido al uso de uniones pn inorgánicas apiladas verticalmente, señalan los autores.
El sensor SIMPOL, por el contrario, emplea detectores P-OPV semitransparentes con FR compactos. La detección espectral se logra, dicen los investigadores, mediante el uso de FR con células pancromáticas P-OPV para formar un filtro que permite la selectividad del color a través de la interferencia de polarización.
"El uso de la polarización para controlar la distribución espectral de la luz, a través de una estructura de detector en tándem, supera los errores de muestreo espacial y temporal de los sensores SPI actuales y permite que la luz se transmita de manera eficiente en la pila en tándem", escriben los autores.
Y debido a que el espectro de la luz se detecta a través del control de polarización, se puede medir el estado de polarización incidente, señalan los autores. En total, dicen, la libertad de diseño del sensor permite un amplio control de la sensibilidad polarimétrica y espectral del dispositivo, con la ventaja de los semiconductores de polímero en lugar del silicio inorgánico que apaga la luz.
Kudenov dice que el equipo ve aplicaciones potenciales para el dispositivo en la agricultura y ha estado trabajando con profesores de la Facultad de Agricultura y Ciencias de la Vida de NCSU para desarrollar métodos para seleccionar o clasificar plantas utilizando algoritmos de aprendizaje automático para medir el daño de los insectos en los cultivos, la propagación de hongos, el tamaño y otros parámetros. Los algoritmos utilizan información espacial y de color para la clasificación, dice Kudenov, pero también pueden funcionar para otros tipos de información, como la polarización, lo que podría mejorar la precisión de la clasificación.
Al combinar tales algoritmos con tecnología de sensores avanzada, agrega, una esperanza es que los fitomejoradores puedan crear más fácil y rápidamente cultivares de plantas de próxima generación que sean, por ejemplo, más tolerantes a la sequía y al calor. “Esto es especialmente importante dado que la resiliencia climática en nuestro suministro de alimentos será clave para las próximas décadas”, dice.
El equipo también prevé aplicaciones para su fotodetector orgánico en imágenes químicas, donde, según Altaqui, la velocidad, la alta resolución espacial y la selectividad espectral versátil son primordiales. Y dice que podría usarse en astronomía, para adquirir espectros resueltos espacialmente de objetos y cúmulos a grandes distancias de la Tierra, para estudios en la distribución, colisión y evolución de galaxias, para estudios de composición de planetas distantes, y para cuantificar la radiación solar y campo magnético.
Altaqui dice que uno de los desafíos notables para el sensor del equipo de NCSU es que su rendimiento espectral puede verse afectado por la luz fuera del eje debido a los elementos FR apilados. Sin embargo, dice, investigaciones recientes han demostrado un mejor rendimiento fuera del eje con el uso de retardadores de cristal líquido.
Los desafíos futuros, dice Altaqui, incluyen la integración monolítica del sensor en un diseño compacto y la realización de una matriz 2D pixelada.
"Estamos trabajando en otro artículo relacionado con esta investigación", dice Altaqui, "empleando retardadores de torsión múltiple de cristal líquido, así como una modalidad diferente para detectar los estados de polarización de la luz aprovechando las características adicionales del ojo del camarón mantis".
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