Sensores de imagen semejantes a retinas biológicas
Desde la invención de la primera cámara estenopeica y el surgimiento de la fotografía en el siglo XIX, la ciencia ha intentado aprovechar los sensores de luz para registrar el mundo que nos rodea desde la perspectiva de máquinas generadas por los humanos. En los últimos años la atención se ha depositado en los sensores de imagen basados en tecnologías CCD o CMOS. Estos dispositivos fotográficos de última generación son capaces de convertir imágenes óptimas en señales electrónicas y han encontrado aplicación en múltiples sectores, como la sanidad, la automoción, los medios de comunicación y la seguridad. Según un informe reciente de MarketsandMarkets, los sensores de imagen alcanzarán para 2020 un valor cercano a los 13 240 millones de euros (15 770 millones de dólares). Pero si bien la lucha por la cuota de mercado ha dado lugar a progresos importantes en cuanto al tamaño de los píxeles, su densidad, resolución y rendimiento, aún queda mucho por recorrer hasta que estas tecnologías se puedan equiparar con las retinas biológicas. El proyecto SEEBETTER («Seeing Better with Hybrid BSI Spatio-Temporal Silicon Retina») surgió de la convicción de que estas tecnologías están lastradas por el modo en el que producen secuencias redundantes de imágenes a una tasa de fotogramas limitada. El consorcio dirigido por el IMEC destinó los últimos tres años a solventar este problema mediante «la creación de una retina de silicio avanzada con la eficacia cuántica y el procesamiento espaciotemporal superiores que poseen las retinas biológicas». En otras palabras, estudiaron los roles funcionales de las distintas células ganglionares de la retina a fin de comprender mejor la visión retiniana para, acto seguido, recrear esta capacidad y generar datos en función de cambios puntuales en la cantidad de luz recibida. David San Segundo Bello, coordinador del proyecto, accedió a comentar el estado del proyecto, las ventajas y desventajas de la tecnología de SEEBETTER, sus aplicaciones potenciales y el modo en el que podría influir en las prótesis retinianas. ¿Cuál es el principal objetivo del proyecto? SEEBETTER tiene cuatro objetivos: comprender mejor el rol funcional de las principales clases de células ganglionares de la retina; generar un modelo matemático y computacional del proceso de la visión de la retina desde el punto de vista de la biología, la visión artificial y las futuras prótesis retinianas; diseñar y construir una retina de silicio de altas prestaciones con un conjunto heterogéneo de píxeles especializados en el procesamiento tanto espacial como temporal de la vista; y emplear tecnología de procesamiento de silicio de contacto trasero para aumentar la sensibilidad del sensor. Los socios del proyecto son expertos en ámbitos pertinentes para cumplir cada uno de estos objetivos. La visión artificial ha cobrado popularidad de un tiempo a esta parte. ¿Cuáles son las ventajas principales de su tecnología en comparación con otras opciones ya existentes? Lo principal a tener en cuenta es la precaución necesaria con respecto a la nomenclatura. Nuestra retina de silicio es un sensor de imagen fabricado en silicio que funciona de manera similar a las retinas biológicas. En este sentido, resulta muy distinta a las retinas de silicio implantadas en los pacientes a modo de prótesis. Nuestro «sensor retiniano de silicio» podría utilizarse en una retina implantable «artificial» de este tipo, pero en el proyecto no tratamos este tipo de aplicaciones. Cabe añadir, no obstante, que la ventaja principal de esta aplicación sería que el sensor funciona de manera similar a una retina biológica, así que podría resultar más «sencillo» conectarlo al nervio óptico, pero esto escapa de mi ámbito de conocimiento, por lo que sólo puedo ofrecer especulaciones. Si por «visión artificial» nos referimos a aplicaciones de sensores de imagen de la «visión de las máquinas», entonces la ventaja de nuestro sensor está en su mayor rango dinámico en comparación con los sensores estándar. En concreto, el rango dinámico de un sensor de imagen puede definirse como la diferencia entre la cantidad mínima de luz que puede detectarse antes de alcanzar el suelo de ruido del sistema, y la cantidad de luz máxima detectable antes de saturar el píxel. En el caso de los sensores estándar, el aumento del rango dinámico resulta trabajoso y conlleva contrapartidas en cuanto al elemento de fotodetección, la electrónica de lectura de los píxeles y el control de los propios píxeles. En el caso de nuestro sensor, la principal limitación estriba en la cantidad de pulsos que es posible procesar, esto es, la velocidad de la electrónica. Pero dado que no se generan datos si no se producen cambios en la escena a capturar, se reduce el consumo de energía y la cantidad de datos, circunstancia beneficiosa para múltiples aplicaciones posibles. ¿Cómo funcionan exactamente sus retinas de silicio? Un sensor retiniano de silicio funciona de manera completamente distinta a la mayoría de los sensores de imagen CCD o CMOS. Los sensores de imagen estándar generan datos en función de la cantidad de luz que llega a los píxeles del sensor. La información reside en la «amplitud» de la señal de los píxeles y estos están activos y realizan lecturas a intervalos constantes definidos por la tasa de fotogramas o el tiempo de exposición. La información pertinente para la aplicación se extrae de estos valores de píxel para cada fotograma. Nuestro sensor, por el contrario, se basa en un principio de «Sensor de visión dinámico» (DVS), el cual está inspirado en el funcionamiento de las retinas biológicas. En lugar de generar datos proporcionales a la cantidad de luz, cada píxel es sensible a cambios puntuales que influyen en esta cantidad de luz. Los datos generados son, por tanto, pulsos digitales asíncronos y la información reside en la cantidad de tiempo que transcurre entre pulsos. Por ejemplo, un cambio lento en la cantidad de luz que incide en un píxel en concreto generará pulsos a una velocidad relativamente lenta, mientras que los cambios repentinos generan pulsos a mayor velocidad. Además, si no existen cambios en la imagen a capturar por el sensor, no se generan datos. ¿Hasta qué punto se asemejan estos sensores a las retinas biológicas? Las retinas biológicas naturales son más complejas, por supuesto, y tienen muchos tipos distintos de píxeles (células) que además se comunican entre sí con las más cercanas. Este tipo de propiedades sería muy complicado —si no imposible— de desarrollar con tecnologías CMOS estándar. En nuestro proyecto añadimos varias funcionalidades adicionales a los píxeles con respecto a los «sensores retinianos de silicio» ya existentes, pero es un incremento mínimo. No obstante, estamos convencidos de que esta limitación en la funcionalidad en comparación con las retinas reales puede resultar de gran utilidad en múltiples aplicaciones de la visión. Por supuesto nada sale gratis y para lograr estas funcionalidades adicionales es necesario contar con píxeles más grandes, con una distancia entre ellos de entre diez y veinte micrómetros en función del nodo tecnológico y la funcionalidad del píxel. En comparación, los sensores estándar de última generación poseen píxeles de entre dos y cinco micrómetros y algunos fabricantes ya incluyen distancias entre píxeles cercanas a un micrómetro. ¿Cuál es el descubrimiento más importante que han realizado hasta ahora en su investigación? En cuanto a descubrimientos revolucionarios, nuestro socio experto en biología, el Instituto Friedrich Miescher, ha obtenido los resultados más llamativos y logrado ampliar el conocimiento que se posee sobre los mecanismos que rigen los conos de la retina. Sus resultados se han plasmado en varias publicaciones en revistas de gran impacto como Science y Cell. En lo referente al propio sensor, la Universidad de Zúrich ensayó satisfactoriamente el primer sensor retiniano de silicio con píxeles «estándar» que permiten lograr un procesamiento visual más complejo y ampliar la utilidad de estos sensores. El Imperial College desarrolló un emulador de hardware de un sensor retiniano con cámaras comerciales estándar. El IMEC desarrolló y fabricó un sistema de procesamiento de silicio por contacto trasero para sensores de imágenes que puede utilizarse para aplicaciones caracterizadas por volúmenes grandes. ¿Cuál es la situación actual en cuanto a la producción de retinas de silicio de altas prestaciones? Fabricamos nuestro sensor en una fundición de silicio de primer orden. Si tuviéramos que utilizar el sensor en grandes cantidades, casi todas las piezas podrían enviarse para su producción masiva. ¿Qué etapas restan del proyecto? ¿Tienen algo planeado para después de su conclusión? Nos encontramos en los últimos meses del proyecto. El dispositivo final ya se ha fabricado y ahora comienzan los ensayos con el mismo. Los miembros del consorcio no planean continuar con el proyecto, pero sí que seguirán trabajando en las tecnologías desarrolladas y en los descubrimientos logrados en él. Para más información, consulte: SEEBETTER http://projects.imec.be/seebetter
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