Nuovi dispositivi ultracompatti, sintonizzabili e passivi per il calcolo completamente ottico, con potenziali applicazioni nella realtà aumentata, nel telerilevamento e nell’imaging biomedico
Le metasuperfici ottiche hanno consentito il calcolo analogico e l'elaborazione delle immagini all'interno di impronte su lunghezza d'onda e con un consumo energetico ridotto e velocità più elevate. Sebbene siano state dimostrate varie metasuperfici per l'elaborazione delle immagini, la maggior parte dei dispositivi considerati sono statici e privi di riconfigurabilità. Tuttavia, la capacità di riconfigurare dinamicamente le operazioni di elaborazione è fondamentale affinché le metasuperfici possano essere utilizzate all’interno di sistemi informatici pratici.
Un sistema di sensori compatto e leggero con funzionalità di imaging a infrarossi sviluppato da un team internazionale di ingegneri potrebbe essere facilmente montato su un drone per il monitoraggio remoto delle colture.
Questa tecnologia a ottica piatta ha il potenziale per sostituire le tradizionali applicazioni di lenti ottiche per il rilevamento ambientale in una vasta gamma di settori.
Questa innovazione potrebbe comportare generi alimentari più economici poiché gli agricoltori sarebbero in grado di individuare quali colture richiedono irrigazione, fertilizzazione e controllo dei parassiti, invece di adottare un approccio unico per tutti, aumentando così potenzialmente i loro raccolti.
Il sistema di sensori può passare rapidamente dal rilevamento dei bordi – ovvero l’imaging del contorno di un oggetto, come un frutto – all’estrazione di informazioni dettagliate a infrarossi, senza la necessità di creare grandi volumi di dati e utilizzare ingombranti processori esterni.
La capacità di passare a un’immagine a infrarossi dettagliata è un nuovo sviluppo nel campo e potrebbe consentire agli agricoltori di raccogliere maggiori informazioni quando il sensore remoto identifica aree di potenziali infestazioni di parassiti.
Questa ricerca condotta da ingegneri della City University of New York (CUNY), dell'University of Melbourne, della RMIT University e dell'ARC Centre per l'Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS) è stata pubblicata su Nature Communications (1).
Come funziona il sistema di sensori?
Il prototipo del sistema di sensori, che comprende un filtro realizzato con un sottile strato di un materiale chiamato biossido di vanadio che può passare dal rilevamento dei bordi all'imaging a infrarossi dettagliato, è stato progettato dal ricercatore capo del TMOS, professoressa Madhu Bhaskaran (2) e dal suo team presso la RMIT University di Melbourne.
«Materiali come il biossido di vanadio aggiungono una fantastica capacità di regolazione per rendere i dispositivi 'intelligenti'», ha affermato.
«Quando la temperatura del filtro viene modificata, il biossido di vanadio si trasforma da uno stato isolante a uno metallico, ed è così che l'immagine elaborata passa da un contorno filtrato a un'immagine a infrarossi non filtrata. Questi materiali potrebbero fare molto per realizzare futuristici dispositivi a ottica piatta in grado di sostituire le tecnologie con lenti tradizionali per applicazioni di rilevamento ambientale, rendendoli ideali per l’uso in droni e satelliti, che richiedono dimensioni, peso e capacità di potenza ridotte».
RMIT detiene un brevetto statunitense concesso e ha una domanda di brevetto australiano pendente per il suo metodo di produzione di pellicole di biossido di vanadio, che può essere adatto per un'ampia gamma di applicazioni.
L'autore principale, il dottor Michele Cotrufo (3), che ha condotto la sua ricerca presso la CUNY, ha affermato che «la capacità del sistema di passare da un'operazione di elaborazione all'altra, dal rilevamento dei bordi all'acquisizione di immagini a infrarossi dettagliate, è significativa. Mentre alcune dimostrazioni recenti hanno ottenuto il rilevamento analogico dei bordi utilizzando metasuperfici, la maggior parte dei dispositivi dimostrati finora sono statici. La loro funzionalità è fissata nel tempo e non può essere modificata o controllata dinamicamente. Tuttavia, la capacità di riconfigurare dinamicamente le operazioni di elaborazione è fondamentale affinché le metasuperfici possano competere con i sistemi di elaborazione delle immagini digitali. Questo è ciò che abbiamo sviluppato».
Prossimi passi
Il coautore Shaban Sulejman (4) dell'University of Melbourne ha affermato che il design e i materiali utilizzati rendono il filtro adatto alla produzione di massa.
«Funziona anche a temperature compatibili con le tecniche di produzione standard, il che lo rende ben posizionato per integrarsi con i sistemi disponibili in commercio e quindi passare rapidamente dalla ricerca all’utilizzo nel mondo reale».
La ricercatrice capo del TMOS, la dottoressa Ann Roberts (5), anch’essa dell’Università di Melbourne, ha affermato che le tecnologie dell’ottica piatta hanno il potenziale per trasformare innumerevoli industrie.
«Gli elementi ottici tradizionali rappresentano da tempo il collo di bottiglia che impedisce l’ulteriore miniaturizzazione dei dispositivi. La capacità di sostituire o integrare gli elementi ottici tradizionali con ottiche a film sottile risolve questo collo di bottiglia».
Riferimenti:
(1) Reconfigurable image processing metasurfaces with phase-change materials
(2) Madhu Bhaskaran
(3) Michele Cotrufo
(4) Shaban Sulejman
(5) Ann Roberts
Descrizione foto: Il sistema di sensori può passare rapidamente dal rilevamento dei bordi – ovvero l’imaging del contorno di un oggetto, come un frutto – all’estrazione di informazioni dettagliate a infrarossi, senza la necessità di creare grandi volumi di dati e utilizzare ingombranti processori esterni. - Credit: Lincoln Clark, ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS).
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Tiny crop-health sensors could help cut the cost of groceries