【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)生物體的生存和競(jìng)爭(zhēng)都不可少。在視覺(jué)信息處理過(guò)程中，在大腦視覺(jué)中樞做出復(fù)雜行為判斷之前，視網(wǎng)膜在對(duì)光刺激信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的同時(shí)，并行處理所捕獲的圖像信息。開(kāi)發(fā)人工視覺(jué)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是雙重的，既要重新創(chuàng)建動(dòng)物系統(tǒng)的靈活性、復(fù)雜性和適應(yīng)性，又要通過(guò)高效率計(jì)算和簡(jiǎn)潔的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)它。目前的人工視覺(jué)系統(tǒng)往往采用傳統(tǒng)的互補(bǔ)金屬氧化半導(dǎo)體(CMOS)或者電荷耦合器件(CCD)圖像傳感器與執(zhí)行機(jī)器視覺(jué)算法的數(shù)字系統(tǒng)相連接來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些傳統(tǒng)的數(shù)字人工視覺(jué)系統(tǒng)具有功耗高、尺寸大、成本高等缺點(diǎn)。相比而言，人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)擁有很多帶有突觸的視神經(jīng)元，它們不僅能夠探測(cè)圖像信息，還可以存儲(chǔ)信息和處理數(shù)據(jù)，因此能平行地處理大量的信息，而每個(gè)突觸活動(dòng)所耗費(fèi)的能量?jī)H為1-100飛焦耳。因此，將圖像感測(cè)、存儲(chǔ)和處理功能集成到器件的單一空間，并針對(duì)連續(xù)模擬亮度信號(hào)實(shí)時(shí)處理不同類(lèi)型的時(shí)空計(jì)算，對(duì)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)人工視覺(jué)系統(tǒng)意義重大。具有神經(jīng)形態(tài)的光電傳感器通過(guò)模擬電子電路，實(shí)現(xiàn)由生物系統(tǒng)啟發(fā)的特殊視覺(jué)處理功能，這些電路特別適合于嘗試模仿生物視覺(jué)系統(tǒng)的構(gòu)建。
 

　　近期，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所科研人員與國(guó)內(nèi)多家單位的科研團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)發(fā)出一種柔性碳納米管-量子點(diǎn)神經(jīng)形態(tài)人工視覺(jué)芯片，研究成果于3月19日在《自然·通訊》(Nature Communications)在線發(fā)表，題為“面向神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)系統(tǒng)的柔性超靈敏光電傳感陣列(A flexible ultrasensitive optoelectronic sensor array for neuromorphic vision systems)”。
 

　　為了構(gòu)筑高性能的神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)系統(tǒng)，必須首先獲得具有超高響應(yīng)度、探測(cè)性和信噪比的光電傳感器。為了在昏暗的光線條件下實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的成像能力，科研人員設(shè)計(jì)并制備了一個(gè)1024像素的柔性光電傳感器陣列，使用半導(dǎo)體性碳納米管和鈣鈦礦量子點(diǎn)的組合作為神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)系統(tǒng)的有源敏感材料，集成了光傳感、信息存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)預(yù)處理等功能，成功實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)圖像強(qiáng)化學(xué)習(xí)過(guò)程。這兩類(lèi)材料都具有優(yōu)異的柔韌性、穩(wěn)定性及工藝兼容等特點(diǎn)，通過(guò)材料組合為實(shí)現(xiàn)兼具生物體靈活性、復(fù)雜性和適應(yīng)性的神經(jīng)形態(tài)人工視覺(jué)傳感器提供了新策略。這也是第一次通過(guò)高集成度物理器件陣列方式，實(shí)現(xiàn)超弱光脈沖(1μW/cm2)響應(yīng)，并完成神經(jīng)形態(tài)強(qiáng)化學(xué)習(xí)的案例。與生物系統(tǒng)行為類(lèi)似，光電傳感器、存儲(chǔ)元件和數(shù)據(jù)分析處理等組件在陣列中共享物理空間，并實(shí)時(shí)并行處理信息，這些結(jié)果對(duì)于試圖模仿生物視覺(jué)處理的人工視覺(jué)系統(tǒng)具有重要的啟發(fā)意義。
 

　　該工作由中科院金屬所孫東明、成會(huì)明課題組與南京理工大學(xué)李曉明、曾海波課題組，中科院蘇州納米所邱松、李清文課題組，東北大學(xué)田亞男和南京大學(xué)王肖沐等單位合作完成。中科院金屬所博士生朱錢(qián)兵、李波為共同第一作者。該研究計(jì)劃得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中科院先導(dǎo)項(xiàng)目和沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心等項(xiàng)目支持。
 

　　圖1. 單元器件設(shè)計(jì)與性能。半導(dǎo)體性碳納米管和無(wú)機(jī)鈣鈦礦量子的復(fù)合薄膜構(gòu)成器件的溝道材料。其中，量子點(diǎn)作為感光層和光生電荷俘獲層，高純度半導(dǎo)體性碳納米管薄膜作為載流子傳輸層。a. 結(jié)構(gòu)示意圖；b. 柔性人工視覺(jué)芯片外觀圖(標(biāo)尺，5 mm)；c. 不同光強(qiáng)下的器件轉(zhuǎn)移特性曲線；d. 暗態(tài)(上圖)與光照(下圖)條件下的作用機(jī)制。

 

　　圖2. 光電響應(yīng)與神經(jīng)突觸特性。a. 響應(yīng)度、外量子效率與激光功率密度關(guān)系，其中響應(yīng)度高達(dá)5.1×107 A/W； b. 探測(cè)度與激光功率密度關(guān)系，其中探測(cè)度高達(dá)2×1016 Jones；c. 基于不同類(lèi)別材料的器件響應(yīng)度-探測(cè)度綜合性能對(duì)比；d. 光學(xué)和電學(xué)激勵(lì)下的器件開(kāi)關(guān)響應(yīng)特性，其中信噪比大于>105；e. 人工神經(jīng)突觸的雙脈沖易化(PPF)性能；f. 人工神經(jīng)突觸的長(zhǎng)程增強(qiáng)現(xiàn)象。

 

　　圖3. 碳納米管-量子點(diǎn)神經(jīng)形態(tài)人工視覺(jué)光電傳感器。a. 人工視覺(jué)芯片外觀圖(標(biāo)尺，5 mm)；b. 1024像素傳感器陣列光學(xué)照片(標(biāo)尺，0.5 mm)；c. 單元像素的光學(xué)照片(標(biāo)尺，20μm)； d. 人類(lèi)視覺(jué)皮層針對(duì)不同人臉形成的差異性印象的示意圖；e. 初始狀態(tài)以及在10、20、50、100和200個(gè)光脈沖訓(xùn)練后數(shù)字“8”突觸權(quán)重結(jié)果。其中，激光波長(zhǎng)405nm，激光功率密度 1μW/cm2，光脈沖寬度250ms，脈沖間隔250ms；f. 初始狀態(tài)以及在4.0μW/cm2, 0.3mW/cm2, 1.0mW/cm2, 2.5mW/cm2 和 4.0mW/cm2功率密度下訓(xùn)練10個(gè)光脈沖后數(shù)字“8”的突觸權(quán)重結(jié)果。其中，激光波長(zhǎng)405nm，光脈沖寬度250ms，脈沖間隔250ms；g. 人類(lèi)面部(論文第一作者)的識(shí)別訓(xùn)練過(guò)程模擬。