Hologramas hiper-realistas, sensores de última geração para robôs autônomos e óculos de realidade aumentada ultrafinos estão entre as aplicações das metassuperfícies, dispositivos fotônicos emergentes construídos a partir de blocos de construção em nanoescala.

Agora, engenheiros de Stanford desenvolveram uma estrutura de IA que acelera rapidamente o projeto de metassuperfícies, com potencial para ampla aplicação tecnológica. A estrutura, chamada MetaChat, introduz novas ferramentas computacionais e assistentes de IA autorreflexivos, permitindo a resolução rápida de problemas relacionados à óptica. As descobertas foram relatadas recentemente na revista Science Advances .

“Essa combinação de IA ativa com modelos computacionais substitutos de alta velocidade é inédita”, disse Jonathan Fan , autor sênior do artigo e professor associado de engenharia elétrica. “Temos múltiplos agentes interagindo com essas ferramentas e com o usuário para realizar tarefas complexas de projeto. Isso representa uma grande oportunidade.”

As metassuperfícies têm potencial para inovações em imagem e sensoriamento. Os dispositivos são feitos de blocos de construção tão minúsculos que centenas de milhares poderiam cobrir um grão de areia. Os componentes em nanoescala podem curvar a luz de maneiras impossíveis com a óptica tradicional "volumosa". Por exemplo, integrados à câmera de um celular, eles podem projetar uma matriz de pontos no rosto do usuário, gerando um holograma de alta resolução que pode ser usado para identificação.

Mas esse nível de detalhamento no projeto traz desafios para os engenheiros ópticos. Os projetos exigem amplo conhecimento de materiais, precisão geométrica e computação de alto desempenho. Os engenheiros utilizam simulações que modelam como os campos elétricos e magnéticos são produzidos e como se alteram ao longo do tempo, e essas simulações precisam ser executadas milhares de vezes à medida que o projeto passa por testes e ajustes. Em um computador típico, uma única simulação pode levar dezenas de minutos.

"Isso realmente se transforma em algo que leva semanas ou até meses para ser concluído em dispositivos grandes", disse Robert Lupoiu , primeiro autor do estudo e estudante de doutorado em engenharia elétrica.

A equipe buscou um processo mais eficiente, com a ajuda da IA.

Primeiro, eles construíram o motor que alimenta a nova estrutura: uma rede neural de aprendizado profundo que resolve as equações de Maxwell, que regem os campos elétricos e magnéticos. O novo solucionador, chamado Feature-wise Linear Modulation (FiLM) WaveY-Net, consegue executar uma simulação mais de mil vezes mais rápido do que os métodos convencionais, resolvendo equações em apenas milissegundos.

Em seguida, a equipe criou agentes de IA que desempenham os papéis de projetistas de óptica e especialistas em materiais. Ao utilizar grandes modelos de linguagem, eles definiram o trabalho e o fluxo de trabalho de cada agente. Embora os projetistas baseados em IA existentes sigam um processo predeterminado semelhante a um fluxograma, isso às vezes pode levar a becos sem saída ou resultados insatisfatórios. Para aprimorar a tomada de decisões, a equipe usou instruções para dar autonomia às IAs, incluindo a capacidade de autorreflexão. "Em uma rodada de projeto, ela pode voltar a si mesma e pensar sobre o que fez", disse Lupoiu. "Então, ela pode tomar a melhor decisão seguinte sem um modelo predefinido do que deve fazer."

O MetaChat combina ferramentas computacionais e agentes de IA com uma interface de chat para que os usuários façam solicitações de design. A equipe testou o MetaChat com dezenas de problemas de engenharia óptica e fotônica. Em um dos testes, Lupoiu pediu ao MetaChat que projetasse uma lente metálica capaz de focalizar simultaneamente luz azul em um ponto e luz vermelha em outro. A partir daí, o agente de IA especialista em materiais consultou um banco de dados para identificar materiais com as propriedades necessárias. O projetista de IA configurou os minúsculos blocos e contatou Lupoiu com perguntas para esclarecimento. Essa rápida troca de informações é possível graças à FiLM WaveY-Net, que avalia o desempenho de cada bloco de construção em frações de segundo. Ao todo, foram necessários 11 minutos para produzir um projeto para download comparável a dispositivos de última geração.

Os pesquisadores descobriram que o MetaChat poderia projetar dispositivos ópticos avançados em colaboração com usuários humanos em tempo real. O MetaChat poderia fornecer acesso a conhecimento especializado em design óptico em áreas como computação óptica e astronomia, acrescentou Fan. "Há uma verdadeira escassez de projetistas ópticos", disse Fan. "Há uma enorme necessidade de pessoas para construir vários tipos de sistemas fotônicos, então acho que isso pode realmente ajudar nesse sentido."

No futuro, sistemas semelhantes com agentes de IA autônomos poderão acelerar o desenvolvimento tecnológico em outras áreas. Pesquisadores de outros campos poderão desenvolver seus próprios agentes de IA especializados e autorreflexivos. Isso poderia potencialmente permitir uma rápida colaboração interdisciplinar. "Se todos se empenharem para criar essas ferramentas de computação científica e otimização de alta velocidade, o conjunto de agentes e essas ferramentas realmente ampliará os limites da computação e da inovação", disse Fan.

Essas plataformas não tornarão os humanos obsoletos, no entanto. "O objetivo é utilizar as percepções das pessoas", disse Fan. "É preciso uma pessoa para fazer as perguntas certas e identificar quando algo não está certo."