Новый светочувствительный сенсор меняет свою чувствительность в реальном времени без внешнего управления

Одной из самых сложных задач для систем компьютерного зрения остаются резкие изменения освещения. Человек без особых проблем может выйти из тёмного помещения на яркую улицу или заметить объект в свете встречных фар ночью. Для камер беспилотных автомобилей и роботов такие переходы часто становятся источником ошибок. Исследователи из Penn State University разработали электронный сенсор, который решает эту проблему, подражая механизму работы человеческого глаза.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.

В основе идеи лежит устройство сетчатки. В человеческом глазу за восприятие света отвечают палочки и колбочки. Палочки особенно чувствительны к слабому освещению, однако при ярком свете временно теряют чувствительность, а затем постепенно восстанавливают её в темноте. Благодаря этому глаз непрерывно подстраивается под окружающие условия и сохраняет способность различать детали в широком диапазоне яркости.

Команда под руководством профессора Ларри Чэна (Larry Cheng) попыталась воспроизвести этот механизм в электронном устройстве. Для этого исследователи создали новый тип фотомемристора — компонента, который одновременно воспринимает свет и хранит информацию о предыдущих воздействиях.

Конструкция состоит из двух материалов: проводящего полимерного слоя с гелеобразными свойствами и диоксида титана. Когда на устройство попадает свет, диоксид титана генерирует электрический ток. Этот ток заставляет полимер поглощать или выделять воду в зависимости от уровня освещённости. В результате чувствительность сенсора автоматически меняется без внешнего управления, подстраиваясь к окружающей среде в реальном времени.

Чтобы проверить эффективность технологии, учёные собрали матрицу из 16 сенсоров размером 4×4 и подключили её к нейронной сети, сформировав простейшую систему машинного зрения. Затем систему подвергли испытанию, напоминающему классическую проверку зрения у человека. Ей необходимо было распознавать светящуюся букву F на фоне с постоянно меняющейся яркостью.

После 7 циклов обучения экспериментальная установка достигла точности более 95% даже при сложных условиях освещения. Это означает, что система сохраняла способность корректно распознавать объекты там, где обычные камеры часто теряют контрастность и допускают ошибки.

Каждый отдельный фотомемристор имеет размер около половины миллиметра. При этом разработчики подчёркивают, что такие элементы можно объединять в гораздо более крупные массивы без изменения конструкции отдельных сенсоров. Это открывает путь к созданию полноценных камер нового поколения для автономных транспортных средств и робототехнических систем.

По словам авторов работы, технология может найти применение далеко за пределами беспилотного транспорта. Среди перспективных направлений называются промышленные роботы, работающие в условиях переменного освещения, а также вспомогательные устройства для людей с нарушениями зрения.

Исследователи уже подали предварительную патентную заявку и работают над следующим этапом проекта. В будущем они планируют создать мультимодальную систему, способную одновременно обрабатывать не только визуальную информацию, но и данные о прикосновениях. Если эта задача будет решена, то новые сенсоры смогут стать основой более чувствительных и адаптивных роботизированных платформ, которые будут воспринимать окружающий мир ближе к тому, как это делает человек.