El programa ATOM de DARPA pretende aprovechar la IA para descubrir materiales ópticos sintonizables de conmutación rápida para aplicaciones multiespectrales en las bandas visible e infrarroja de onda media y larga del espectro electromagnético.
Los cristales líquidos son materiales ópticos sintonizables omnipresentes, conocidos sobre todo por los colores vivos y las imágenes nítidas que ofrecen en televisores de pantalla plana, teléfonos inteligentes, tabletas y monitores. A pesar de su idoneidad para el filtrado óptico en pantallas visuales, no son eficaces para áreas de interés militar en las regiones espectrales visible e infrarroja.
El programa Accelerating discovery of Tunable Optical Materials (ATOM) de DARPA pretende descubrir y desarrollar nuevos materiales ópticos sintonizables (TOM) en las bandas visible e infrarroja de onda media y larga (MWIR/LWIR) del espectro electromagnético. El objetivo final es crear materiales de estado sólido que puedan sintonizarse ópticamente a demanda en múltiples rangos espectrales sin necesidad de filtros físicos ni de intervención mecánica para conseguir esta funcionalidad dinámica. Este avance podría permitir el uso de dispositivos ópticos de lente única de bajo tamaño, peso y potencia para llevar a cabo una amplia gama de misiones en combate.
«Los cristales líquidos son moléculas relativamente grandes con velocidades de conmutación lentas (funcionan aproximadamente con la misma frecuencia con la que nuestros ojos perciben los cambios) y, al ser líquidos, no se integran fácilmente con otras tecnologías», explica Rohith Chandrasekar, director del programa ATOM en la Oficina de Ciencias de la Defensa de DARPA. «Por estas razones, los cristales líquidos no son útiles para aplicaciones en las que necesitamos velocidades de conmutación muy rápidas, como la dirección de rayos láser o la corrección de turbulencias atmosféricas en una imagen en la que ésta es mucho más rápida de lo que nuestros ojos pueden percibir».
Algunos nuevos materiales de cambio de fase son prometedores para el espectro infrarrojo. Sin embargo, como los cambios de fase entre los estados amorfo y cristalino se inducen mediante energía térmica, son incapaces de alcanzar y mantener la velocidad de cambio de fase deseada, lo que limita su utilidad en las aplicaciones MWIR/LWIR. Es necesario comprender mejor la física de los materiales para conseguir materiales sintonizables con propiedades no moduladas térmicamente.
ATOM comprende dos áreas técnicas: materiales ópticos sintonizables en el espectro infrarrojo y visible. El programa pretende descubrir y desarrollar materiales sintonizables que proporcionen una velocidad de sintonización muy rápida, permitan una gran sintonía en sus propiedades ópticas (es decir, el índice de refracción) y puedan integrarse en los procesos de fundición tradicionales para su producción.
Un avance en los materiales ATOM podría beneficiar a multitud de plataformas tecnológicas diferentes. «Por ejemplo, la óptica sintonizable permitiría crear plataformas móviles de captura de imágenes mucho más pequeñas y ligeras, como telescopios y drones, capaces de corregir la borrosidad de la imagen provocada por las turbulencias del aire», explica Chandrasekar. «Los filtros ópticos sintonizables también podrían simplificar los sistemas de imágenes hiperespectrales utilizados en aplicaciones como la teledetección química, las imágenes térmicas y la seguridad alimentaria. Esperamos que los materiales ópticos sintonizables descubiertos y desarrollados en ATOM nos permitan finalmente alcanzar estas visiones.»
La identificación de nuevos materiales ópticos con propiedades sintonizables únicas en un amplio ancho de banda requiere nuevos enfoques basados en la ciencia de datos y el aprendizaje automático. Hasta la fecha, el descubrimiento de materiales ópticos se basa en gran medida en el diseño intuitivo unido a simulaciones de primeros principios, como la teoría del funcional de la densidad. Aunque este enfoque puede funcionar en principio, es ineficaz, requiere mucho tiempo y está fundamentalmente limitado por la intuición humana basada en materiales conocidos, lo que hace que el descubrimiento de materiales completamente nuevos sea una tarea ardua.
Recientemente, campos como el farmacéutico, el energético y el de los materiales funcionales avanzados han aprovechado con éxito métodos estadísticos avanzados basados en el aprendizaje automático, la inteligencia artificial y la teoría matemática de grafos. Dado que las herramientas de descubrimiento de materiales han acelerado el progreso en estos otros ámbitos técnicos, ATOM pretende aprovechar herramientas de IA similares para descubrir rápidamente nuevos materiales ópticos.
ATOM es un proyecto de 24 meses dividido en dos fases: una de descubrimiento de 12 meses y otra de demostración opcional de 12 meses. La fase I se centrará en la identificación y caracterización de nuevos materiales ópticos sintonizables que cumplan las métricas de propiedades de los materiales utilizando herramientas adaptativas de descubrimiento de materiales y modelado predictivo. La fase II en la demostración experimental del nuevo material como película conmutable en más de 10 estados de conmutación.
Para más detalles técnicos e instrucciones sobre la propuesta, visite la convocatoria ATOM Disruption Opportunity en SAM.gov: https://sam.gov/opp/b0a46e3ae88142ba9b7c5715c01f675b/view
Fte. DARPA
