El MIT prueba una lente infrarroja programable que controla la luz píxel por píxel
Un prototipo desarrollado por investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts permite modificar de manera independiente cada punto microscópico de una metasuperficie. El avance podría aplicarse en cámaras compactas para detectar gases, pérdidas de calor, sustancias químicas y señales invisibles para el ojo humano.
Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) desarrollaron un dispositivo capaz de controlar la luz infrarroja media mediante una lente ajustable integrada en un chip. Su principal característica es que cada píxel microscópico puede configurarse de forma independiente, sin recurrir a mecanismos móviles ni a una conexión eléctrica individual para cada punto.
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El trabajo fue publicado en la revista científica Nature Communications y busca superar algunas de las principales limitaciones de los sistemas infrarrojos avanzados, que actualmente suelen requerir equipos costosos, voluminosos y complejos.
La tecnología podría utilizarse para mejorar la detección de fugas de gas, sustancias químicas, emisiones térmicas y pérdidas de calor en edificios, además de favorecer el desarrollo de cámaras más pequeñas y sistemas ópticos programables.
Una tecnología para interpretar luz que el ojo no puede ver
El dispositivo opera en la región del infrarrojo medio, una banda del espectro electromagnético que no es visible para las personas, pero que contiene información útil sobre la temperatura y la composición química de diferentes materiales.
Numerosas moléculas orgánicas absorben determinadas longitudes de onda dentro de ese rango. Por ese motivo, el sistema podría configurarse para identificar compuestos específicos como metano y propano, dos gases relevantes para el monitoreo industrial y ambiental.
De acuerdo con los investigadores, la tecnología también podría emplearse en observación espacial, estudios atmosféricos, imágenes térmicas, visión nocturna y aplicaciones aeroespaciales o de defensa.
Cómo funciona la lente creada por el MIT
El desarrollo se basa en las denominadas metasuperficies, materiales formados por estructuras microscópicas capaces de modificar la trayectoria, la intensidad o el comportamiento de la luz.
El equipo dirigido por Juejun Hu, coautor del estudio, ya había trabajado con materiales que cambian sus propiedades al recibir calor. En 2021, los especialistas presentaron una lente en miniatura cuyo foco podía ajustarse para observar diferentes profundidades.
Sin embargo, aquella versión tenía una limitación: toda la superficie debía modificarse al mismo tiempo. El nuevo prototipo permite actuar sobre cada píxel por separado y generar configuraciones ópticas mucho más precisas.
Para conseguirlo, los investigadores adoptaron una arquitectura utilizada habitualmente en las pantallas electrónicas. El sistema contiene dos capas de conductores de cobre dispuestas de forma perpendicular, formando una cuadrícula.
En los puntos donde ambas capas se cruzan, una estructura de silicio dopado produce calor. Esa temperatura modifica el estado del material ubicado debajo y permite alternarlo entre una estructura cristalina y otra amorfa.
El cambio altera la forma en que cada píxel interactúa con la luz infrarroja, lo que permite encenderlo, apagarlo o modificar su comportamiento de manera individual.
Sin un cable exclusivo para cada píxel
Uno de los principales obstáculos en el desarrollo de metasuperficies programables es el sistema de conexiones. En muchos diseños anteriores, cada píxel necesitaba su propio cable, una solución que se vuelve poco práctica cuando se intenta construir una matriz con miles o millones de puntos.
La arquitectura empleada por el MIT evita esa dificultad mediante una disposición de barras cruzadas, que permite seleccionar un píxel utilizando las filas y columnas de la matriz.
El sistema también incorpora un selector basado en diodos para impedir que las corrientes eléctricas lleguen accidentalmente a píxeles vecinos.
Según los cálculos del equipo, esta configuración podría ampliarse hasta alcanzar millones de píxeles, sin que las corrientes no deseadas comprometan el funcionamiento del dispositivo.
Aunque las barras cruzadas ya se utilizan en la industria de las pantallas, los investigadores señalaron que es la primera vez que esta arquitectura se aplica a una metasuperficie activa de cambio de fase para lograr un control bidimensional independiente a nivel de píxel.
Las primeras pruebas utilizaron 36 píxeles
El prototipo inicial fue construido mediante equipamiento del centro de nanofabricación MIT.nano y con la participación de una fábrica de semiconductores.
La primera versión consiste en una matriz de seis por seis píxeles, es decir, un total de 36 elementos microscópicos capaces de modificar su interacción con la luz infrarroja.
Durante los ensayos, los investigadores comprobaron que los píxeles podían activarse y desactivarse de manera estable y repetida. La resistencia del sistema es un aspecto central, debido a que estos materiales deben soportar decenas de miles de cambios de estado sin perder sus propiedades.
El próximo objetivo: aumentar la cantidad de píxeles
El equipo trabaja ahora en ampliar la matriz y desarrollar versiones más resistentes y con mayor capacidad para captar información infrarroja.
La fabricación mediante procesos empleados por la industria de los semiconductores podría facilitar el paso desde un prototipo experimental hacia una producción a mayor escala.
La integración de todos los componentes en una misma secuencia de fabricación permitiría reducir costos, mejorar la consistencia de los dispositivos y avanzar hacia cámaras infrarrojas más compactas.
Posibles aplicaciones en inteligencia artificial
La capacidad de configurar cada píxel de forma independiente también permitiría programar el sistema para buscar características concretas dentro de una escena.
Por ejemplo, podría ajustarse para detectar una persona en una habitación oscura, identificar determinados objetos o resaltar señales asociadas a una sustancia química específica.
Los investigadores también analizan posibles aplicaciones en computación óptica e inteligencia artificial. En este tipo de sistemas, la información se procesa mediante luz en lugar de hacerlo únicamente con circuitos electrónicos tradicionales.
Las metasuperficies podrían almacenar parámetros utilizados por redes neuronales y modificar la luz a medida que atraviesa el material, realizando determinadas operaciones computacionales.
Sin embargo, los especialistas aclararon que estas aplicaciones todavía requieren más investigación y podrían tardar en alcanzar un desarrollo comercial.
El estudio recibió apoyo parcial de la Fuerza Aérea de Estados Unidos, la Fundación Nacional de Ciencia de Estados Unidos, la Fundación Nacional de Investigación de Corea y el programa de becas Draper Scholar.
Lectura rápida
¿Qué desarrollaron los investigadores del MIT?
Una lente infrarroja integrada en un chip que permite controlar cada píxel microscópico de forma independiente.
¿Qué ventaja presenta frente a otros sistemas?
No necesita partes móviles ni un cable individual conectado a cada píxel.
¿Para qué podría utilizarse?
Para detectar gases, sustancias químicas, pérdidas de calor, emisiones térmicas y señales presentes en el infrarrojo medio.
¿Qué gases podría identificar?
Entre otros compuestos, podría configurarse para detectar metano y propano.
¿Cuántos píxeles tiene el prototipo probado?
La matriz experimental cuenta con 36 píxeles, distribuidos en una estructura de seis por seis.
¿La tecnología puede ampliarse?
Los investigadores consideran que la arquitectura podría escalar hasta alcanzar millones de píxeles.
¿Podría aplicarse a la inteligencia artificial?
Sí. En el futuro, las metasuperficies podrían participar en sistemas de computación óptica y redes neuronales, aunque esas aplicaciones todavía están en etapa de investigación.
