El camarón mantis inspira una nueva generación de sensores de luz

ojos de camarón mantis

Sus ojos son excepcionalmente buenos para capturar con precisión sutiles gradaciones de color

Inspirándose en los ojos del camarón mantis, los investigadores han desarrollado un nuevo tipo de sensor óptico que es lo suficientemente pequeño como para caber en un teléfono inteligente, pero es capaz de obtener imágenes hiperespectrales y polarimétricas.

"Muchos programas de inteligencia artificial (IA) pueden hacer uso de imágenes polarimétricas y hiperespectrales ricas en datos, pero el equipo necesario para capturar esas imágenes es actualmente algo voluminoso", dice Michael Kudenov, coautor de un artículo sobre el trabajo y profesor asociado de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad Estatal de Carolina del Norte.

"Nuestro trabajo aquí hace posibles dispositivos más pequeños y fáciles de usar. Y eso nos permitiría llevar mejor esas capacidades de IA a los campos de la astronomía a la biomedicina".

En el contexto de esta investigación, las imágenes hiperespectrales se refieren a tecnologías que pueden descomponer las longitudes de onda visibles de la luz en bandas más estrechas. El ojo humano no puede distinguir entre estas ligeras variaciones de color, pero las computadoras pueden hacerlo, lo que hace que las imágenes hiperespectrales sean valiosas para tareas como determinar la composición química de los objetos en la imagen.

La polarimetría se refiere a la medición de la polarización de la luz, que son datos que se pueden usar para determinar la geometría de la superficie de un objeto en la imagen. Por ejemplo, ¿la superficie es rugosa o lisa? ¿Y cuál es el ángulo de la superficie con respecto a la fuente de luz?

ojo de camarón mantis y detector

Imagen: Ojo de camarón mantis y detector bioinspirado.

La luz es famosa por ser difícil de describir, ya que es tanto una partícula como una onda. Si una onda de luz se mueve del punto A al punto B, el camino entre esos dos puntos es la dirección de la luz. Si piensas en la luz como una partícula, se mueve en línea recta desde el punto A al punto B. Pero la luz también es un campo electromagnético que fluctúa como una onda. Si imaginas esa onda moviéndose hacia arriba y hacia abajo o de lado a lado a medida que viaja del punto A al punto B, la polarización es una medida de la orientación de esa onda a lo largo de la trayectoria.

Si bien existen dispositivos más grandes que son capaces de capturar imágenes hiperespectrales y polarimétricas, las tecnologías de imágenes del tamaño de un teléfono inteligente se han enfrentado a importantes desafíos.

Por ejemplo, el diseño de las tecnologías de las cámaras de los teléfonos móviles da como resultado en la imagen final de errores muy leves en la alineación de las diferentes longitudes de onda de la luz. El resultado no es un gran problema para tomar fotos familiares, pero es problemático para el análisis científico de imágenes. Y el problema se agrava cuando una cámara puede capturar más colores, como es el caso de las tecnologías hiperespectrales.

Los creadores de los nuevos sensores de luz se inspiraron en los ojos del camarón mantis, que son excepcionalmente buenos para capturar con precisión sutiles gradaciones de color. Entonces, los investigadores crearon un sensor electrónico orgánico que imita el ojo del camarón mantis. Se llama Sensor Multiespectral Inspirado en Estomatópodos y Sensible a la Polarización (SIMPOL). Y, sí, estomatópodo es el nombre elegante para el camarón mantis.

imagen SIMPOL

Imagen: Esta imagen SIMPOL muestra imágenes espectrales de una escena que contiene objetos con diferentes colores, así como las letras NCSU, que contienen diferentes estados de polarización. Crédito de la imagen: Ali Altaqui.

Los investigadores desarrollaron un sensor SIMPOL prototipo que puede registrar simultáneamente cuatro canales espectrales y tres canales de polarización. En comparación, los dispositivos de carga acoplada utilizados en los teléfonos inteligentes tienen solo tres sensores de imágenes espectrales, que detectan el rojo, el verde y el azul; y solo dos canales de polarización. Además, el prototipo SIMPOL puede medir los cuatro canales de color y los tres canales de polarización en un punto, mientras que los CCD se basan en sensores de imágenes distribuidos en varios puntos.

Si bien solo es una prueba de concepto, los investigadores utilizaron simulaciones de modelado para determinar que el diseño podría usarse para crear detectores capaces de detectar hasta 15 canales espectrales registrados espacialmente.

"Los canales de color de SIMPOL pueden discernir características espectrales 10 veces más estrechas que los sensores de imágenes típicos; en otras palabras, es 10 veces más preciso", dice Kudenov.

"Nuestro trabajo demuestra que es posible crear sensores pequeños y eficientes que pueden capturar imágenes hiperespectrales y polarimétricas simultáneamente", dice Brendan O'Connor, coautor artículo y profesor asociado de ingeniería mecánica y aeroespacial en la NC State. "Creo que esto abre la puerta a una nueva generación de tecnologías orgánicas de detección electrónica".

Los hallazgos se han publicado en Science Advances: Mantis shrimp–inspired organic photodetector for simultaneous hyperspectral and polarimetric imaging

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