Urządzenie reaguje na impulsy świetlne w zależności od wcześniejszego oświetlenia, co otwiera drogę do stworzenia energooszczędnych kamer przetwarzających dane wizualne bezpośrednio w momencie ich odbioru.
Wyzwanie współczesnej analityki wideo
W standardowych systemach wizyjnych, takich jak kamery monitorujące, proces analizy obrazu jest podzielony na kilka etapów. Urządzenie rejestruje kolejne klatki, a następnie przesyła surowe dane do pamięci i procesora, gdzie odbywają się właściwe obliczenia. Przykładem może być ustalenie kierunku ruchu obiektu, co wymaga od komputera zestawienia ze sobą i porównania kilku następujących po sobie ujęć. Taki schemat generuje jednak opóźnienia czasowe oraz wiąże się ze znacznym zużyciem energii elektrycznej.
Rozwiązaniem tego problemu może być przeniesienie wstępnej analizy sygnału bezpośrednio do samego czujnika. Aby sensor był w stanie samodzielnie rozpoznawać dynamiczne zmiany w otoczeniu, musi jednak dysponować mechanizmem pozwalającym na zachowanie śladu po zarejestrowanym przed chwilą obrazie.
Inspiracja biologią: czujnik działający jak synapsa
Wzorcem dla badaczy stał się ludzki układ nerwowy. Biologiczne komórki przekazują między sobą sygnały za pomocą połączeń synaptycznych, których reakcja jest ściśle zależna od wcześniejszej aktywności. W przypadku niektórych synaps, drugi z kolejno następujących po sobie bodźców wywołuje wyższą odpowiedź elektryczną, ponieważ połączenie przez pewien czas przetrzymuje ślad poprzedniego pobudzenia.
Zespół polskich fizyków zdołał odwzorować tę właściwość w strukturze półprzewodnikowej. Do stworzenia układu wykorzystano podłoże krzemowe, na którym umieszczono cienkie warstwy tlenku cynku oraz tlenku cynku zawierającego kadm. Całość została dodatkowo wzbogacona domieszką europu. Jak wykazały testy, odpowiednio mała zawartość tego pierwiastka pozwala uzyskać strukturę zachowującą się jak sztuczna synapsa pobudzana promieniowaniem świetlnym. Osiągnięcie to zostało szczegółowo opisane w czasopiśmie naukowym „Advanced Functional Materials”.
Fizyka uwięzionych ładunków elektrycznych
Zasada działania nowej technologii opiera się na zjawiskach zachodzących wewnątrz materiału pod wpływem światła. Światło pochłaniane przez krzem dostarcza energii niezbędnej do przemieszczania się ładunków elektrycznych, co generuje prąd o mierzalnym natężeniu. Część z tych ładunków zostaje jednak zatrzymana w tzw. pułapkach materiałowych i pozostaje tam przez pewien czas po wyłączeniu źródła światła.
Jeśli kolejny błysk dotrze do sensora zanim uwięzione ładunki zdołają się uwolnić, natrafi na zmieniony stan elektryczny układu. Skumulowane ładunki modyfikują dalszy przepływ prądu, sprawiając, że reakcja na drugi impuls jest wyraźnie silniejsza. W ten sposób pamięć o poprzednim zdarzeniu zostaje utrwalona w chwilowym stanie elektrycznym materiału, po czym samoistnie zanika wraz z opuszczaniem pułapek przez ładunki.
Wysoka czułość bez zewnętrznego zasilania
Podczas testów laboratoryjnych naukowcy poddawali strukturę seriom bardzo krótkich błysków. Efekt narastania odpowiedzi prądowej rejestrowano nawet przy impulsach trwających zaledwie jedną dziesięciotysięczną sekundy (0,0001 s), przedzielonych pięciokrotnie dłuższymi przerwami. W wybranych pomiarach reakcja na drugi błysk była aż o 47 proc. silniejsza w porównaniu do pierwszego sygnału, przy jednoczesnym zachowaniu wyraźnego rozróżnienia pomiędzy poszczególnymi impulsami.
Istotną cechą opracowanego czujnika jest fakt, że opisany efekt pamięci uzyskano bez konieczności podłączania zewnętrznego napięcia zasilającego: całą energię potrzebną do wytworzenia sygnału dostarczyło padające światło. W przyszłości technologia ta może znaleźć zastosowanie w systemach autonomicznych i robotyce do śledzenia ruchu. Obecne wyniki stanowią dowód działania pojedynczego elementu, a dalsze prace będą wymagały połączenia wielu czujników w macierz i przetestowania ich podczas analizy złożonych obrazów.
