La rétine artificielle permet la perception et l'encodage du milieu

Jan 23, 2024

Dans le but de développer de nouveaux systèmes informatiques qui imitent le cerveau, des chercheurs de Singapour et de Chine ont mis au point un dispositif de rétine artificielle pour la perception et la reconnaissance d'objets émettant un rayonnement infrarouge moyen (MIR). Inspiré du fonctionnement de la vue humaine, le dispositif neuromorphique est une étape vers une meilleure vision artificielle MIR, qui est une technologie importante pour le diagnostic médical, la conduite autonome, la vision nocturne intelligente et la défense militaire.

La vision industrielle infrarouge actuelle a des unités sensorielles et de traitement physiquement séparées, ce qui crée de grandes quantités de données redondantes. Ce n'est pas idéal car cela entraîne des inefficacités informatiques et énergétiques. En revanche, le système sensoriel visuel humain est très efficace, avec une rétine compacte qui perçoit et traite les données visuelles - plus de 80% de la réception de notre cerveau - qui sont ensuite transmises au cortex visuel du cerveau pour un traitement ultérieur. Les photorécepteurs de la rétine reçoivent des stimuli lumineux continus, qui sont convertis en potentiels électriques, et ces derniers sont ensuite codés en trains d'impulsions électriques appelés pointes. Un train de pointes contenant les informations de stimulus se déplace ensuite vers le cortex visuel.

Inspirés par la rétine biologique, Fakun Wang et Fangchen Hu de l'Université technologique de Nanyang à Singapour, avec leurs collègues, ont inventé une rétine optoélectronique basée sur une hétérostructure 2D de van der Waals. Cette hétérostructure est constituée d'une couche de phosphore d'arsenic noir (b-AsP) au-dessus d'une couche de tellurure de molybdène (MoTe2). Ces matériaux ont été choisis pour leur réponse rapide à la lumière et leur haute efficacité d'absorption.

Des études antérieures se sont concentrées sur le développement de dispositifs neuromorphiques sensibles à la lumière avec des longueurs d'onde visibles et proches de l'infrarouge (NIR). Cette étude étend la gamme de longueurs d'onde au MIR. Une autre nouveauté importante de cette dernière recherche est que la fonction de codage est pilotée optiquement plutôt qu'électriquement, ce qui est prometteur pour un fonctionnement à grande vitesse.

Des impulsions laser NIR programmables, appliquées simultanément avec des impulsions laser MIR, codent les informations en trains de pointes. Les impulsions NIR stochastiques modifient le courant excité par MIR dans l'appareil, où un pic est généré lorsque le courant dépasse la valeur seuil. Cela émule le codage dans la rétine humaine. L'appareil donne une réponse stable à la lumière même pour une fréquence d'impulsion NIR de 100 kHz, ce qui garantit un codage d'intensité MIR de haute précision.

Une autre caractéristique importante des systèmes intelligents est l'adaptation. Pour s'adapter à son environnement visuel, le système de vision MIR doit avoir une large gamme de travail dynamique d'intensités MIR et une précision de codage élevée. Les chercheurs ont testé leur appareil avec un masque métallique comportant neuf chiffres en creux du chiffre « 3 » éclairés par un laser MIR. Cela a été utilisé pour imiter les vraies cibles MIR telles qu'un échantillon de tissu. Ils ont trouvé une excellente précision d'encodage, l'image encodée correspondant à l'image d'origine avec une précision de plus de 97 %. L'équipe a également montré que les paramètres d'impulsion NIR peuvent être utilisés pour contrôler la plage de travail dynamique et la précision.

L'œil artificiel a le potentiel de surpasser la vision humaine

De plus, ils ont connecté leur appareil à ce qui est considéré comme l'un des réseaux de neurones artificiels (ANN) les plus efficaces et ressemblant à un cerveau, appelé réseau de neurones à pointes. Dans ce RNA, les neurones communiquent en envoyant et en recevant des pointes en tant que supports d'informations, un peu comme dans le cerveau. Ils ont utilisé ce système pour classer les images MIR de chiffres dans l'ensemble de données MNIST, qui est utilisé pour entraîner les systèmes de traitement d'images, et ont atteint une précision supérieure à 96 %.

Wang, qui a dirigé la recherche, affirme que leur rétine artificielle est compatible avec la technologie CMOS, et suggère deux façons d'approfondir la recherche : « La première consiste à améliorer les fonctions de l'appareil, comme l'intégration de la fonction mémoire dans cet appareil, pour réaliser l'intégration de perception, codage, mémoire et traitement. L'autre consiste à combiner l'appareil avec la nanophotonique à ondes guidées afin d'atteindre des vitesses de fonctionnement plus rapides et une consommation d'énergie réduite.

La recherche est décrite dans Nature Communications.