Illustration du principe de fonctionnement et de la structure du dispositif du nouveau capteur de couleur conçu par les chercheurs de l’État de Géorgie. Crédit : image graphique de l’équipe de recherche
Grâce à la nanotechnologie, les scientifiques ont créé un nouveau dispositif électronique neuromorphique qui dote les microrobotiques d’une vision colorée.
Des chercheurs de l’Université d’État de Géorgie ont réussi à concevoir un nouveau type de dispositif de vision artificielle qui intègre une nouvelle architecture d’empilement vertical et permet une plus grande profondeur de reconnaissance des couleurs et une mise à l’échelle au niveau micro. La nouvelle étude de recherche a été publiée le 18 avril 2022 dans la revue de pointe ACS Nano.
“Ce travail est la première étape vers notre destination finale – le développement d’une caméra à micro-échelle pour les microrobots”, explique le professeur adjoint de physique Sidong Lei, qui a dirigé les recherches. “Nous illustrons le principe fondamental et la faisabilité de la construction de ce nouveau type de capteur d’images en mettant l’accent sur la miniaturisation.”
L’équipe de Lei a utilisé la nanotechnologie pour jeter les bases du dispositif de vision artificielle biomimétique, qui utilise des méthodes synthétiques pour imiter les processus biochimiques.
“Il est bien connu que plus de 80 % des informations sont saisies par la vision dans la recherche, l’industrie, les médicaments et notre vie quotidienne”, explique-t-il. “Le but ultime de notre recherche est de développer une caméra à micro-échelle pour les microrobots qui peuvent entrer dans des espaces étroits intangibles par les moyens actuels, et ouvrir de nouveaux horizons dans le diagnostic médical, l’étude de l’environnement, la fabrication, l’archéologie, et plus encore.”
Cet “œil électrique” biomimétique fait progresser la reconnaissance des couleurs, la fonction de vision la plus critique, qui n’est pas prise en compte dans la recherche actuelle en raison de la difficulté à réduire l’échelle des dispositifs de détection des couleurs existants. Les capteurs de couleurs conventionnels adoptent généralement une disposition latérale des canaux de détection des couleurs, consomment une grande quantité d’espace physique et offrent une détection des couleurs moins précise.
Les chercheurs ont développé une technique d’empilement unique qui offre une nouvelle approche de la conception du matériel. Selon lui, la structure verticale de détection des couleurs alimentée par des semi-conducteurs de Van der Waals offre une capacité de reconnaissance précise des couleurs qui peut simplifier la conception du système de lentilles optiques pour la réduction d’échelle des systèmes de vision artificielle.
Ningxin Li, un étudiant diplômé du Studio des matériaux fonctionnels du Dr Lei qui faisait partie de l’équipe de recherche, explique que les récentes avancées technologiques ont rendu possible cette nouvelle conception.
“La nouvelle fonctionnalité obtenue dans notre architecture de capteur d’image dépend entièrement des progrès rapides des semi-conducteurs de van der Waals au cours des dernières années”, explique M. Li. “Par rapport aux semi-conducteurs classiques, comme le silicium, nous pouvons contrôler avec précision la structure de bande du matériau de van der Waals, son épaisseur et d’autres paramètres critiques pour détecter les couleurs rouge, verte et bleue.”
Les semi-conducteurs de van der Waals dotés de capteurs de couleurs verticaux (vdW-Ss) représentent une classe de matériaux nouvellement apparus, dans lesquels les couches atomiques individuelles sont liées par de faibles forces de van der Waals. Ils constituent l’une des plateformes les plus importantes pour la découverte de la nouvelle physique et la conception de dispositifs de nouvelle génération.
“L’ultra-minceur, la flexibilité mécanique et la stabilité chimique de ces nouveaux matériaux semi-conducteurs nous permettent de les empiler dans des ordres arbitraires. Ainsi, nous introduisons en fait une stratégie d’intégration tridimensionnelle, contrairement à la disposition planaire actuelle de la microélectronique. La densité d’intégration plus élevée est la principale raison pour laquelle notre architecture de dispositif peut accélérer la réduction de l’échelle des caméras”, explique M. Li.
La technologie est actuellement en attente de brevet auprès de l’Office of Technology Transfer & ; Commercialization (OTTC) de Georgia State. L’OTTC prévoit que cette nouvelle conception sera d’un grand intérêt pour certains partenaires industriels. “Cette technologie a le potentiel de surmonter certains des principaux inconvénients des capteurs actuels, explique Cliff Michaels, directeur de l’OTTC. “À mesure que la nanotechnologie progresse et que les dispositifs deviennent plus compacts, ces capteurs de couleur plus petits et très sensibles seront incroyablement utiles.”
Les chercheurs pensent que cette découverte pourrait même donner lieu à des avancées pour aider un jour les malvoyants.
“Cette technologie est cruciale pour le développement d’yeux électroniques biomimétiques et aussi d’autres dispositifs prothétiques neuromorphiques”, explique Li. “La détection des couleurs de haute qualité et la fonction de reconnaissance d’image peuvent apporter de nouvelles possibilités de perception d’objets colorés pour les malvoyants à l’avenir.”
Lei affirme que son équipe continuera à faire progresser ces technologies avancées.en utilisant ce qu’ils ont appris de cette découverte.
“C’est un grand pas en avant, mais nous sommes encore confrontés à des défis scientifiques et techniques à venir, par exemple l’intégration à l’échelle de la plaquette. Les capteurs d’images commerciaux peuvent intégrer des millions de pixels pour fournir des images haute définition, mais cela n’a pas encore été mis en œuvre dans notre prototype”, explique-t-il. “Cette intégration à grande échelle de dispositifs semi-conducteurs de type van der Waals est actuellement un défi critique qui doit être surmonté par l’ensemble de la société de recherche. Avec nos collaborateurs nationaux, c’est à cela que notre équipe consacre ses efforts.”
Référence : “Capteur de couleur vertical alimenté par un semi-conducteur van der Waals” par Ningxin Li, Aisha Okmi, Tara Jabegu, Hongkui Zheng, Kuangcai Chen, Alexander Lomashvili, Westley Williams, Diren Maraba, Ivan Kravchenko, Kai Xiao, Kai He et Sidong Lei, 18 avril 2022, ACS Nano.
DOI : 10.1021/acsnano.1c09875
