No existe mayor fuente de inspiración para la ciencia y la tecnología que la propia naturaleza. El funcionamiento interno de los ojos humanos, combinado con uno de los materiales que pretende revolucionar la fabricación de paneles solares, son la base de este nuevo invento que aspira a reinventar las cámaras fotográficas además de servir en la reconstrucción ocular de pacientes con ceguera.

Un ojo biónico capaz de procesar las imágenes como las personas y que se provee de energía a sí mismo usando la luz, así se puede describir de forma simplificada este dispositivo creado por investigadores de la Universidad Estatal de Pensilvania. Una nueva tecnología que promete importantes mejoras tanto en la industria fotográfica como en el campo de la biotecnología.

Los resultados publicados en la revista Science Avances detallan un equipo compuesto por fotorreceptores rojos, verdes y azules que después procesa la imagen con un algoritmo que ejerce de red neuronal del ojo natural. No requiere de baterías que lo alimenten ni filtros como los que se utilizan en las cámaras tradicionales.

Un ojo de perovskita

"Nuestras retinas contienen células cónicas que son sensibles a la luz roja, verde y azul y una red neuronal que comienza a procesar lo que estamos viendo incluso antes de que la información se transmita a nuestro cerebro", explica el funcionamiento del ojo Kai Wang, asistente y profesor investigador en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Penn State.

Este nuevo invento sustituye los fotorreceptores naturales por una matriz de sensores compuesta por fotodetectores de perovskita de banda estrecha, aquí es donde reside una de las peculiaridades más interesantes del dispositivo. "En este trabajo, encontramos una forma novedosa de diseñar material de perovskita que es sensible solo a una longitud de onda de luz", dijo Wang.

Funcionamiento del ojo y los fotodetectores de las cámaras Penn State Omicrono

Los fotodetectores convencionales convierten la energía de la luz en señales eléctricas y se pueden encontrar en cámaras y otras tecnologías ópticas. Pero los que se componen de silicio, absorben la luz sin distinguir los colores, función que deben realizar los filtros, como ilustra la imagen superior, dejando llegar la luz de ese espectro al sensor en las cámaras. Esto supone desperdiciar dos tercios de la luz entrante, afirma la Universidad de Penn State.

Por este motivo, el equipo de investigación ha optado por utilizar perovskita, creando fotodetectores de banda estrecha que pueden enfocarse en partes individuales en el espectro de luz rojo, verde y azul. Esta tecnología evitaría el uso de filtros en las cámaras modernas, aumentando la resolución de las imágenes capturadas, además de reducir el coste y la complejidad de la fabricación, proponen los responsables del informe. 

[El revolucionario invento para que las personas con problemas de vista puedan tomar fotografías]

"Proponemos que este trabajo represente una futura técnica de detección de cámara que ayude a las personas a obtener una resolución espacial más alta" dicen en el comunicado. Aparte de esta nueva posibilidad para el mercado de las cámaras, la investigación propone el uso de esta tecnología en la creación de nuevas retinas artificiales, reemplazando células muertas o dañadas en los ojos para restaurar la visión, tal y como han apuntado los científicos responsables.

Ojo humano iStock- eclipse_images Omicrono

El avance no se limita solo a esta mejora de la recepción de la luz, sino que también presenta ventajas en la autonomía del dispositivo, pues el uso del material de perovskita permite que los fotodetectores se conviertan en una suerte de placas solares.

Energía solar

La perovskita se conoce como uno de los materiales destinados a revolucionar las energías renovables por el aumento de eficiencia que está provocando en las placas solares que lo utilicen en sustitución del silicio. Empresas como CubicPV han obtenido con este material una eficiencia de más del 30% en sus paneles que han llamado la atención del magnate tecnológico y cofundador de Microsoft, Bill Gates.

Este material es semiconductor, cuando la luz golpea estos materiales, crean pares de huecos de electrones. Enviados en direcciones opuestas, el hueco y los electrones, es lo que genera la corriente eléctrica. Así este material supone un doble avance para este dispositivo con muchas aplicaciones posibles. 

Unas placas solares. iStock Omicrono

El equipo creó perovskitas de película delgada que presentan un transporte de huecos de electrones muy desequilibrado, es decir, que se mueven a través del material más rápido que los electrones. Manipulando de esta forma la arquitectura de las perovskitas descubrieron que se podían aprovechar sus propiedades para tener fotodetectores de banda estrecha, que generan energía a medida que absorben la luz. 

Como resultado, esta tecnología se puede aplicar en equipos para que no dependan de una batería para funcionar. "Una vez que enciendes una luz sobre él, generará una corriente. Entonces, al igual que nuestros ojos, no necesitamos aplicar energía para capturar esta información de la luz", dijo Luyao Zheng, investigador postdoctoral en Penn State.

Red neuronal, clave

Después de recoger la luz, toca el turno de procesarla, la matriz de sensores manda la imagen a través de un proyector en el dispositivo y la información recopilada se procesa en un algoritmo neuromórfico, es decir, que emula el funcionamiento del cerebro humano. El algoritmo se compone de subcapas para procesar las señales y reconstruir la imagen recibida."Intentamos fusionar directamente las señales de las tres capas de color, pero la imagen no era muy clara. Cuando hacemos este procesamiento neuromórfico, la imagen se acerca mucho más al original", explica Wang.

Algoritmo neuromórfico procesando la imagen Penn State Omicrono

Este tratamiento de la imagen se inspira en la red neuronal de las retinas humanas, estas se encargan de analizar la imagen que perciben los ojos antes de mandar esa información al cerebro. De esta forma, los investigadores de Penn State pretenden brindar una nueva perspectiva de la importancia de estas redes neuronales en la visión humana y cómo las personas procesan lo que ven. 

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