Um dispositivo inspirado na retina que pode detectar e reconhecer movimentos no ambiente

Ilustração do procedimento de detecção de movimento baseado na computação diferencial entre quadros. (1) Primeiramente, a equipe desenvolveu os dispositivos retinomórficos com fotocondutividade positiva e negativa não volátil e registrou experimentalmente os parâmetros de resposta positiva e negativa dos dispositivos; (2) os parâmetros do dispositivo são usados para construir m×n matrizes de fotocondutividade positiva e negativa. E definimos um intervalo de tempo adequado ∆t com base no padrão de movimento dos carrinhos e extraímos os dois quadros (t1, t1+∆t) no intervalo ∆t. Os m×n pixels do quadro anterior são multiplicados pela matriz de mapeamento negativo e armazenados, devido à memória de fotocondutividade não volátil. O último quadro m×n pixels são multiplicados pela matriz de mapeamento positiva e o resultado memorizado é somado ao quadro anterior; (3) após a obtenção da soma inter-quadros, é definida uma função de ativação por degrau para ajudar a diferenciar os dados somados. Eventualmente, os pixels classificados foram reorganizados em uma sequência para construir a imagem detectada pelo Python. Uma vez que os pixels são diferentes em quadros variáveis se o carrinho estiver em movimento, e é distinguível após multiplicar e somar com as matrizes de fotocondutividade positiva e negativa. Crédito:Zhang et al.

Os dispositivos que podem detectar e reconhecer automaticamente objetos em movimento têm inúmeras aplicações valiosas, por exemplo, aprimorando o monitoramento remoto do ambiente. A maioria das tecnologias de detecção e reconhecimento de movimento (MDR) existentes são baseadas em sensores de imagem feitos de semicondutores de óxido metálico complementar (CMOS). Em comparação com a retina humana, esses sistemas costumam ser volumosos e ineficazes, pois exigem vários componentes de hardware para capturar, armazenar e processar imagens.
Pesquisadores da Universidade Fudan e da Academia Chinesa de Ciências desenvolveram recentemente um novo dispositivo bidimensional (2D) inspirado na retina humana que pode detectar movimentos, armazenar dados de movimento e analisá-los. Este dispositivo tudo-em-um, apresentado em um artigo publicado na Nature Nanotechnology , é muito menos volumoso do que os dispositivos existentes para reconhecimento de movimento, mas pode reconhecer objetos em movimento com alta precisão.

“Inicialmente, projetamos a estrutura específica que exibia uma nova função de armazenamento de fotos positivas e negativas”, disse Peng Zhou, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, ao Phys.org. "Depois de nos comunicar com um professor especializado em visão artificial, descobrimos a semelhança entre a estrutura e a rede da retina e iniciamos o projeto e a exploração da função de visão artificial, como detecção de movimento e detecção de bordas".

Zhou e seus colegas começaram a desenvolver um dispositivo que pode detectar a luz, armazenar dados e realizar cálculos, usando hardware em forma de retina humana. O objetivo de seu trabalho era alcançar a detecção e o reconhecimento de movimento com um dispositivo mais simples e leve que consome menos energia.

"O dispositivo tudo-em-um que criamos tem dois modos diferentes com base nas diferentes operadoras armazenadas, que correspondem à resposta óptica positiva e negativa, respectivamente", explicou Zhou. "Portanto, ele pode produzir uma saída não volátil antagônica positiva/negativa sob iluminação. A integração de sensoriamento, memória e computação é semelhante ao modo da rede da retina humana."

Como o dispositivo criado por Zhou e seus colegas se assemelha em parte à retina humana, a equipe avaliou sua capacidade de realizar algumas das funções da retina, incluindo detecção de movimento e borda. Notavelmente, eles descobriram que uma rede neural artificial executada no dispositivo inspirado na retina poderia reconhecer objetos em movimento com precisão significativamente maior do que algoritmos executados em outros dispositivos.

"Os dispositivos anteriores inspirados na retina exibiam apenas respostas ópticas e não podiam armazená-las de forma eficiente, evitando assim cálculos no domínio do tempo para alvos em movimento", disse Zhou. "Os dispositivos retinomórficos tudo-em-um que propusemos têm fotocondutividade bipolar positiva e negativa não volátil, o que permite um processamento diferencial temporal sem precedentes e, portanto, pode ser aplicado a alvos em movimento e imagens estáticas".

Os pesquisadores já usaram seu design para criar um protótipo do dispositivo retinomórfico. No futuro, este dispositivo pode ser usado para monitorar remotamente uma variedade de ambientes ou pode ser integrado em robôs para aprimorar seus recursos de detecção e reconhecimento de movimento.

"Nós estendemos a funcionalidade e as aplicações de dispositivos inspirados na retina com materiais 2D e fornecemos demonstrações de protótipos para a integração de detecção, memória e computação", acrescentou Zhou. "We now plan to use the device we created as a model to build a hardware network system. At this stage, we are already working on exploring 2D system processes as well as constructing a test platform." + Explorar mais