Увидеть невидимое: в Китае создали 4K-сенсор для инфракрасного зрения, вдохновлённый змеями
Китайские учёные разработали первую в своём роде систему искусственного зрения, вдохновлённую змеями, способными «видеть» тепло своей добычи в полной темноте. Сенсор захватывает инфракрасные (ИК) изображения сверхвысокого разрешения в 4K (3840 × 2160 пикселей), что соответствует качеству изображения камеры iPhone 17 Pro.
Любой объект с температурой выше абсолютного нуля (-273 °C) испускает электромагнитное излучение. Для обычного тепла тела длина волны этого излучения находится в инфракрасном диапазоне. Человеческий глаз может улавливать только более короткие волны видимого света.
Змеи также видят видимый свет, но у некоторых видов, например, у ямкоголовых (Crotalinae), есть специальный орган теплового зрения рядом с ноздрями, позволяющий визуализировать ИК-излучение с большей длиной волны. Этот орган, называемый «ямкой», представляет собой полую камеру с тонкой мембраной. Когда ИК-волны нагревают определённые участки мембраны, тепловой «образ» передаётся в мозг через связанные нервы.
Учёные из Пекинского технологического института использовали эту концепцию для создания собственной ИК-системы. Они расположили слои различных материалов на 8-дюймовой пластине, через которую излучение проходит, пока не проявляется в виде высококачественного изображения, видимого человеческому глазу. Система была описана в исследовании, опубликованном 20 августа в журнале Nature Light: Science & Applications.
Первый слой системы — ИК-чувствительный слой из так называемых «коллоидных квантовых точек»: наночастиц из атомов ртути и теллура, которые высвобождают электрические заряды при поглощении ИК-излучения. Затем заряды проходят через несколько слоёв, снижающих шум, к слою органических светодиодов (OLED), известному как «преобразователь частоты вверх».
Здесь электроны встречаются с «дырками» (отсутствием электронов) и высвобождают энергию, которую фосфоресцирующие молекулы преобразуют в зелёный видимый свет. Наконец, видимый свет попадает на слой «комплементарного металло-оксидного полупроводника» (КМОП) и преобразуется в изображение.
ИК-зрение в смартфонах и камерах будущего
Это первая система, способная преобразовывать короткое и среднее ИК-излучение (длины волн от 1,1 до 5 микрометров) в изображение сверхвысокого разрешения при комнатной температуре. Поскольку КМОП-сенсор находится непосредственно над преобразователем, слабые ИК-сигналы захватываются до того, как их заглушит шум. В других системах, где КМОП и преобразователь разделены, требуется дорогое криогенное охлаждение, чтобы предотвратить накопление шума при передаче сигналов.
Возможность видеть ИК-излучение эффективно расширяет диапазон длин волн, видимых человеком, более чем в 14 раз. Камера, оснащённая этой технологией, сможет обнаруживать тёплые объекты в условиях низкой освещённости: в тумане, сквозь дым или ночью.
«Расширение искусственного зрения в инфракрасный диапазон позволит ему работать в любую погоду, днём и ночью, независимо от экстремальных условий, и будет полезно в таких новых областях, как промышленный контроль, безопасность пищевых продуктов, газовый анализ, сельскохозяйственная наука и автономное вождение», — написали исследователи.
Они добавили, что создание сенсоров с десятками миллионов пикселей по их системе «может быть достигнуто при чрезвычайно низкой стоимости», что делает технологию более осуществимой для потребительских камер и смартфонов в будущем. Действительно, в этих устройствах уже используются стандартные кремниевые КМОП-сенсоры, на которые можно нанести необходимые слои.
Перспективы и этические вопросы
Внедрение такой технологии открывает не только практические, но и этические горизонты. Массовое распространение доступных устройств с ИК-зрением может революционизировать безопасность (поиск людей в задымлённых зданиях или под завалами), медицину (неинвазивная диагностика) и быт (например, контроль теплоизоляции дома). Однако одновременно возникает серьёзный вопрос о приватности. Традиционные средства скрытия от камер (маски, тени) станут неэффективными против теплового следа, который уникален и практически неуничтожим.
Обществу и законодателям уже сегодня необходимо задуматься о правовых рамках, которые предотвратят злоупотребление этой «сверхспособностью», обеспечив баланс между технологическим прогрессом и неприкосновенностью частной жизни. Следующим логическим шагом для учёных может стать интеграция этого сенсора с системами искусственного интеллекта для автоматической интерпретации тепловых образов, что откроет путь к полностью автономным системам, видящим мир буквально в новом свете.
