N.B. Het kan zijn dat elementen ontbreken aan deze printversie.
Materialen Door licht te manipuleren met een patroon van piepkleine structuren zijn razendsnel complexe wiskundige vergelijkingen op te lossen.
:format(webp)/s3/static.nrc.nl/images/gn4/stripped/data95747489-6ad184.jpg)
Beeld Ella Maru-studio
We vragen steeds meer van elektronica. Door de ontwikkelingen van kunstmatige intelligentie en zelfrijdende auto’s wordt technologie steeds complexer. De elektronica die de rekenkracht daarvoor moet leveren, vreet energie en is beperkt in de snelheid waarmee ze informatie kan verwerken.
Door met licht bepaalde berekeningen analoog uit te voeren, denken onderzoekers van het Amsterdamse onderzoeksinstituut Amolf, de University of Pennsylvania en City University of New York de druk op elektronica te kunnen verlichten. Met licht kun je met bijna de lichtsnelheid rekenen. En het is energiezuiniger dan elektronica omdat het nauwelijks warmte genereert.
In 2019 liet een deel van deze onderzoeksgroep zien dat ze door licht door een zogeheten meta-oppervlak te schijnen de randen van objecten, zoals gebouwen en mensen, in een afbeelding kunnen detecteren. Dat is een belangrijke eerste stap in beeldherkenning. Meta-oppervlakken gaan anders om met energie dan ‘natuurlijke’ oppervlakken; licht wordt bijvoorbeeld anders gebroken. Nu presenteren de onderzoekers een meta-oppervlak dat wiskundig complexere berekeningen, genaamd matrixinversies, kan oplossen. De resultaten verschenen vorige week in Nature Nanotechnology.
Zelfrijdende auto
Het optische meta-oppervlak voor beeldherkenning werkt als volgt: je schijnt het beeld dat je wilt analyseren, bijvoorbeeld van een camera van een zelfrijdende auto, op een meta-oppervlak dat bestaat uit een slim ontworpen structuur van siliciumdeeltjes op een doorzichtig oppervlak. Die structuur is enkele duizendsten millimeters groot. Het licht wordt in dat metamateriaal dusdanig verstrooid en weerkaatst dat er aan de andere kant een plaatje uitkomt dat alleen de randen van de objecten weergeeft. Met die informatie kan een computer vervolgens besluiten of een zelfrijdende auto kan doorrijden of moet stoppen voor een voetganger. Deze randherkenning laten uitvoeren door een computer vergt extra stappen en meer tijd en energie.
„Dit concept hebben we nu uitgebreid zodat we er complexere wiskundige berekeningen mee kunnen doen”, vertelt Amolf-hoogleraar Albert Polman aan de telefoon. „We hebben nu een meta-oppervlak waarmee we matrixinversies kunnen uitvoeren. Die wiskundige bewerking wordt veel gebruikt voor het oplossen van wetenschappelijke vraagstukken. Het heeft ook toepassingen in onder meer controlesystemen van vliegtuigen, navigatiesystemen en computergraphics.”
Nieuwe siliciumstructuur
Voor de matrixinversies ontwierpen ze een nieuwe siliciumstructuur voor het meta-oppervlak. „De stappen die nodig zijn voor het oplossen van de wiskundige vergelijkingen zit verwerkt in die structuur”, zegt Polman. Het licht dat er als input opvalt wordt door de structuur in allerlei richtingen verdeeld. Omdat je voor deze berekening bepaalde stappen telkens moet herhalen, bevat het ontwerp ook een spiegel waardoor het licht heen en weer kaatst. Het geheel is zo ontworpen dat de structuur in combinatie met het weerkaatsen netto lichtbundels oplevert waaruit het antwoord op de vergelijking af te lezen is.
Op dit moment vereist elk wiskundig probleem een eigen, specifiek ontworpen meta-oppervlak. „Daarom zijn we nu bezig met het ontwikkelen van een structuur waarbij we de eigenschappen van het metamateriaal kunnen veranderen door er een elektrische spanning op te zetten.”
Een complete computer vervangen door optische meta-oppervlakken zit er voorlopig niet in. Ze kunnen enkel specifieke taken overnemen. Polman: „Ik denk dat de toepassing vooral ligt bij taken die snel, on-the-fly, uitgevoerd moeten worden, zoals beeldverwerking.”
