امکان تصویربرداری مادون‌قرمز با الهام گرفتن از مارها!

به گزارش مجله خبری نگار/آنا؛ مار‌ها با بهره‌گیری از اندام‌های ویژه موسوم به «حفره‌های حرارتی» قادرند در تاریکی مطلق امواج گرمایی را تشخیص دهند؛ قابلیتی زیستی که مهندسان سال‌ها در پی بازآفرینی آن بودند. سامانه‌های تصویربرداری مادون‌قرمز موجود توانایی مشابهی دارند، اما نیازمند مواد گران‌قیمت یا سخت‌افزار‌های خنک‌کننده حجیم هستند که قابلیت حمل و کاربرد عمومی را محدود می‌سازد.

حسگر‌های سیلیکونی CMOS که ستون فقرات دوربین‌های تلفن همراه و مصرفی محسوب می‌شوند، ارزان و فراگیرند، اما توانایی مشاهده نور مادون‌قرمز کوتاه‌موج و میان‌موج را ندارند. همین محدودیت، دستیابی به تصویربرداری مادون‌قرمز پیشرفته را برای بسیاری از کاربرد‌ها غیرممکن کرده بود. اکنون دانشمندان مؤسسه فناوری پکن با توسعه سامانه‌ای موسوم به «بینایی مار مصنوعی» این فاصله را پر کرده‌اند.

غلبه بر نویز حرارتی

پژوهشگران اعلام کردند برای بخشیدن توانایی دید حرارتی مشابه مار‌ها به سامانه‌های مصنوعی، باید بر مشکل نویز ذاتی در آشکارسازی مادون‌قرمز در دمای محیط غلبه می‌کردند. آنان با استفاده از نقاط کوانتومی کلوئیدی تلورید جیوه، ساختار «پیوند ناهمگون سد» ایجاد کردند.

لایه‌های اضافی اکسید روی و پلیمر، سد محافظی تشکیل دادند که جریان تاریک یا نویز حرارتی را مسدود می‌کند و در عین حال امکان حرکت کارآمد حامل‌های سیگنال را فراهم می‌سازد. این نوآوری موجب شد حسگر نسبت به طول‌موج‌های SWIR و MWIR حساس باقی بماند، بدون آنکه نیاز به خنک‌سازی در دما‌های بسیار پایین داشته باشد؛ تفاوتی اساسی با آشکارساز‌های سنتی مادون‌قرمز که پیشتر در دسترس بودند.

همچنین ساختار نورافشان هم‌میزبان طراحی شد تا سیگنال‌های مادون‌قرمز را به فوتون‌های قابل‌مشاهده برای CMOS تبدیل کند. با ایجاد تعادل در حرکت الکترون‌ها و حفره‌ها درون دستگاه، کارایی تبدیل به‌طور چشمگیری افزایش یافت و ورودی‌های ضعیف مادون‌قرمز به تصاویر روشن و شفاف بدل شدند.

وضوح ۴ K و کاربرد‌های گسترده

این سامانه هنگام ادغام بر روی ویفر استاندارد ۸ اینچی CMOS توانست تصاویر مادون‌قرمز را با وضوح ۳۸۴۰×۲۱۶۰ و گام پیکسلی تنها ۱.۵۵ میکرون ثبت کند. قابلیت مشاهده از میان ویفر‌های سیلیکونی، تشخیص توزیع‌های حرارتی و تصویربرداری از محیط‌هایی که برای حسگر‌های معمولی نامرئی‌اند، از ویژگی‌های این فناوری است.

پژوهشگران تأکید کردند این فناوری مسیر کم‌هزینه و کارآمدی برای تصویربرداری مادون‌قرمز می‌گشاید. گسترش دامنه آشکارسازی از نور مرئی تا ۴.۵ میکرون معادل افزایش طیف به ۱۴ برابر امکان دید همه‌جایی و نفوذ در مه و دود را فراهم می‌سازد.

پیامد‌های این دستاورد گسترده است؛ از سامانه‌های رانندگی خودکار نسل آینده و ابزار‌های بازرسی صنعتی گرفته تا تشخیص‌های پزشکی، تجهیزات دید در شب و دوربین‌های مصرفی. کاهش چشمگیر هزینه سامانه‌های SWIR و MWIR که تاکنون محدود به بخش‌های دفاعی و صنایع پرهزینه بودند، از دیگر نتایج این نوآوری خواهد بود.

الگوبرداری از طبیعت برای فناوری در دسترس

ترکیب الگوی زیستی اندام‌های حرارتی مار با فناوری نیمه‌رسانا، مسیر تازه‌ای برای دسترسی عمومی به دید حرارتی گشود. این پژوهش توانایی‌های خارق‌العاده طبیعت را به سخت‌افزار‌های کم‌هزینه و تولید انبوه نزدیک کرده است.

منابع خبری اضافه می‌کنند که نتایج این تحقیق در نشریه علمی Light: Science & Applications (علم و کاربردها) منتشر شده است. بر اساس سیاست‌های جمهوری اسلامی ایران در حمایت از فناوری‌های نوین و کاربرد‌های صلح‌آمیز دانش، چنین دستاورد‌هایی می‌تواند الگویی برای توسعه فناوری‌های بومی در حوزه ایمنی، بهداشت و صنعت باشد.