Thiết bị chụp ảnh mô phỏng mắt người

Một nhóm nhà khoa học tại Đại học Bang Pennsylvania (PSU, Mỹ)) đã tạo ra thiết lập chụp ảnh hoạt động giống như mắt người. Trong tương lai, thiết bị lấy cảm hứng từ sinh học như vậy có thể tạo ra võng mạc nhân tạo và máy ảnh tự cung cấp năng lượng. Thiết bị mới được tạo thành từ mạng lưới thần kinh nhân tạo và mạng tế bào cảm quang perovskite - loại vật liệu hấp thụ ánh sáng rất hiệu quả, và hứa hẹn là chất tiên phong trong thế hệ tiếp theo của pin mặt trời băng hẹp.

Mạng lưới thần kinh nhân tạo xử lý tín hiệu hình ảnh do thiết bị chụp và tạo ra hình ảnh chất lượng tốt. Trong khi  mạng tế bào cảm quang perovskite hoạt động giống như tế bào hình nón - tế bào cảm quang trong mắt người cảm nhận ánh sáng đỏ, xanh dương và xanh lục (RBG). Mọi loại ánh sáng khả kiến mà bạn nhìn thấy xung quanh mình là sự kết hợp của 3 màu này.

Kai Wang, một trong những tác giả nghiên cứu và là giáo sư khoa học vật liệu tại PSU, giải thích: “Chúng tôi mượn một thiết kế từ tự nhiên - võng mạc của chúng ta chứa các tế bào hình nón nhạy cảm với ánh sáng đỏ, lục và lam và một mạng lưới thần kinh bắt đầu xử lý những gì chúng ta đang nhìn thấy ngay cả trước khi thông tin được truyền đến não”.

Mắt nhân tạo lấy cảm hứng từ sinh học

Để hiểu cơ chế hoạt động của mắt giả, trước tiên bạn cần biết mắt người thật giúp chúng ta nhìn mọi vật như thế nào. Đôi mắt của bạn có lớp mô nhạy cảm với ánh sáng được gọi là võng mạc. Mọi vật thể bạn nhìn thấy đều phát ra ánh sáng đi vào mắt và rơi vào võng mạc đó. Võng mạc bao gồm các tế bào hình nón giúp chuyển đổi ánh sáng từ vật thể thành tín hiệu điện. Dây thần kinh thị giác phía sau võng mạc truyền chùm tín hiệu này đến não.

Sau đó, một mạng lưới thần kinh lớn xử lý chùm tín hiệu điện và cuối cùng tạo ra hình ảnh mà bạn nhìn thấy. Thiết bị từ nhóm PSU hoạt động theo kiểu gần như chính xác nhưng sử dụng các thành phần nhân tạo. Ánh sáng đi vào thiết bị thông qua một thấu kính, sau đó được thu lại bởi các tế bào cảm quang perovskite băng hẹp. Mạng tế bào này tập trung vào những phần khác nhau (RBG) của quang phổ tạo nên ánh sáng và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện.

Wang bình luận: “Trong công việc này, chúng tôi đã tìm ra một cách mới thiết kế vật liệu perovskite chỉ nhạy cảm với một bước sóng ánh sáng. Chúng tôi tạo ra ba vật liệu perovskite khác nhau và chúng được thiết kế theo cách chỉ có thể nhạy cảm với màu đỏ, xanh lục hoặc màu xanh lam”. Từ các tế bào perovskite, ánh sáng truyền tới mạng thần kinh nhân tạo sử dụng thuật toán biến đổi thần kinh - loại chương trình máy tính đặc biệt có khả năng bắt chước khả năng biến tín hiệu điện thành hình ảnh của bộ não con người. Cuối cùng, thiết bị tạo ra hình ảnh đối tượng.

Perovskite là loại khoáng sản lần đầu tiên được tìm thấy ở dãy núi Ural và được đặt theo tên của Lev Perovski (người sáng lập Hiệp hội Địa lý Nga). Cấu trúc perovskite là bất kỳ hợp chất nào có cùng cấu trúc với khoáng vật perovskite. Tùy thuộc vào nguyên tử/phân tử nào được sử dụng trong cấu trúc, perovskite có thể có một loạt tính chất thú vị, bao gồm tính siêu dẫn, từ tính khổng lồ, tính chất xúc tác v.v… Do đó, perovskite đại diện cho một sân chơi thú vị cho các nhà vật lý, hóa học và nhà khoa học vật liệu.

Đến gần hơn với tế bào mắt nhân tạo

Thật thú vị, tế bào cảm quang perovskite được sử dụng trong thiết bị có những điểm tương đồng về chức năng và cấu trúc với tế bào perovskite được sử dụng trong tấm pin mặt trời. Vì vậy, khi các ô này thu ánh sáng, đồng thời chúng cũng đang tạo ra năng lượng cho thiết bị. Luyao Zheng, một trong những tác giả nghiên cứu và là nhà nghiên cứu tại PSU, cho biết: “Cấu trúc thiết bị tương tự như pin mặt trời sử dụng ánh sáng tạo ra điện. Khi bạn chiếu đèn vào, nó sẽ tạo ra dòng điện. Vì vậy, giống như mắt của chúng ta, không cần sử dụng năng lượng để thu nhận thông tin này từ ánh sáng”.

Đây là lý do tại sao hệ thống chụp ảnh hoạt động ngay cả khi không có pin và cũng có thể dẫn đến sự phát triển máy ảnh tự cung cấp năng lượng trong tương lai. Hơn nữa, nhóm nhà nghiên cứu tuyên bố các thành phần nhân tạo trong thiết bị của họ cũng gợi ý về khả năng tạo ra võng mạc nhân tạo và tế bào mắt tổng hợp giúp điều trị những vấn đề liên quan đến mất thị lực ở người. Tuy nhiên, cần phải nghiên cứu thêm để biến những khả năng thú vị này thành hiện thực. Hy vọng trong tương lai thiết bị chụp ảnh lấy cảm hứng từ sinh học sẽ trở thành một sự đổi mới mang tính đột phá.