Рамиль Сулейменов 
Современные машины, от дронов до беспилотных автомобилей, каждую секунду обрабатывают колоссальные объемы визуальной информации. Однако преобразование этих данных в осмысленные действия, такие как распознавание сигналов светофора или дорожных знаков, требует огромных затрат энергии и вычислительных ресурсов. Системы машинного зрения обрабатывают до 60 кадров в секунду, сохраняя изображения и преобразуя свет в электрические сигналы, что серьезно нагружает их источники питания.
Человеческий глаз и мозг, в свою очередь, работают гораздо эффективнее. Вместо того чтобы записывать абсолютно все, наша зрительная система отфильтровывает менее значимые детали, передавая дальше только важную информацию. Этот энергоэффективный принцип ученые давно стремятся воспроизвести в машинах. Инженеры надеются, что, имитируя процесс фильтрации мозга, удастся создать более «умные» и менее энергозатратные системы. В будущем это позволит вашим умным часам распознавать лица, автомобилю – обнаруживать препятствия, а смартфону – понимать, на что вы указываете, без быстрой разрядки аккумулятора.
Одной из главных проблем оставалось распознавание цветов. Существующие системы искусственного зрения с трудом различают цвета так же хорошо, как человек, и часто требуют дополнительной энергии для этой задачи, что критично для компактных устройств с ограниченным запасом батареи.
Однако недавний прорыв ученых из Токийского научного университета (TUS), опубликованный в журнале «Scientific Reports», может кардинально изменить ситуацию. Команда под руководством доцента Такаси Икуно создала нечто совершенно новое – самодостаточный искусственный синапс, способный распознавать цвета почти так же хорошо, как человеческий глаз, и при этом не нуждающийся во внешнем источнике питания.
Этот миниатюрный искусственный синапс действует подобно клетке мозга, передавая сигналы. Но исследователи пошли дальше, сделав его работающим на солнечной энергии. Он генерирует электричество из света, как крошечная солнечная панель, и не требует батареи. В его основе лежат два типа сенсибилизированных красителем солнечных элементов, каждый из которых реагирует на свою часть светового спектра. Когда на устройство попадает свет определенного цвета, оно генерирует уникальный электрический сигнал. Например, синий свет создает положительное напряжение, а красный – отрицательное. Устройство способно различать цвета с разницей всего в 10 нанометров, что сопоставимо с чувствительностью человеческого глаза.
Эта способность, называемая «биполярным откликом», является ключевой. Она позволяет одному устройству не только отличать один цвет от другого, но и выполнять простые логические операции, такие как «И», «ИЛИ» и «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ». Обычно для этого требуется несколько компонентов, но здесь все реализовано в одном. «Результаты демонстрируют огромный потенциал применения этого оптоэлектронного устройства следующего поколения, – говорит доктор Икуно, – которое обеспечивает высокоточное распознавание цветов и одновременное выполнение логических операций».
В ходе одного из тестов устройство наблюдало за движениями человека, освещенными красным, зеленым или синим светом. Система смогла различить 18 различных комбинаций «движение-цвет» с точностью 82%, используя всего один этот крошечный синапс.
Новая технология имеет огромный потенциал для применения в различных отраслях. В беспилотных автомобилях машины должны четко отличать зеленый сигнал светофора от красного даже при ярком солнечном свете или в плохую погоду. Эта разработка может упростить задачу, снизив энергопотребление, что приведет к повышению безопасности на дорогах и увеличению времени работы от батареи.
В здравоохранении устройства, такие как фитнес-трекеры или носимые датчики, могли бы использовать эту систему для мониторинга жизненно важных показателей, например, уровня кислорода в крови, что часто зависит от обнаружения незначительных изменений цвета. Сегодня такие устройства потребляют больше энергии и используют несколько датчиков; в будущем им может понадобиться всего один маломощный синапс.
Даже ваш смартфон может извлечь выгоду. Представьте камеру, которая точно знает, что она «видит» – цвета, текстуры, движение – почти не расходуя заряд батареи. Гарнитуры дополненной и виртуальной реальности могли бы стать легче и работать дольше. Устройство также может найти применение в системах безопасности или продуктах для умного дома, реагирующих на то, что они «видят».
«Мы верим, что эта технология внесет вклад в создание маломощных систем машинного зрения со способностями к различению цветов, близкими к человеческому глазу», – объясняет доктор Икуно.
В основе работы устройства лежат два типа сенсибилизированных красителем солнечных элементов с разными светочувствительными красителями: D131 и SQ2. Каждый краситель реагирует на разные длины волн света. Когда на них попадает свет, один генерирует положительное напряжение, а другой – отрицательное. Комбинируя их, устройство может по-разному реагировать на различные цвета в видимом диапазоне от 450 до 750 нанометров, переключая сигналы с положительного на отрицательный в зависимости от цвета, что и обеспечивает точное распознавание.
Команда также использовала метод, называемый «резервуарными вычислениями». Это тип машинного обучения, при котором само устройство помогает обрабатывать данные. Вместо обучения полноценной модели искусственного интеллекта, большая часть работы по обработке данных ложится на сам материал. Обучается только финальный слой, который выносит вердикт, например, «это автомобиль» или «это собака». В тестах этот метод позволил устройству распознавать движения, кодированные цветом, используя лишь простую выходную сеть, что является большим шагом вперед в экономии времени, энергии и вычислительных мощностей.
Предыдущие попытки создать подобные системы были менее успешными. Некоторые использовали органические полупроводники или материалы вроде MoS₂. Эти устройства иногда могли различать длины волн света, но плохо работали при изменении яркости и часто требовали внешнего напряжения, что увеличивало энергопотребление. К тому же, они были эффективны только для больших различий в свете, а не для тонких цветовых нюансов. Использование командой TUS сенсибилизированных красителем солнечных элементов изменило правила игры, поскольку они лучше реагируют на небольшие изменения цвета, генерируют более высокие напряжения и остаются стабильными при изменении освещенности.
Это исследование знаменует собой важный шаг к созданию машин, которые не просто «видят», но и «понимают» окружающий мир. Поскольку умные устройства все глубже проникают в нашу повседневную жизнь, такие маломощные и высокофункциональные технологии становятся незаменимыми. От носимых гаджетов для здоровья до автономных роботов – устройства, «видящие» подобно человеку, вскоре могут быть оснащены крошечными синапсами, не нуждающимися в батарейках.