視覺系統(tǒng)對生物體的生存和競爭都必不可少。在視覺信息處理過程中，在大腦視覺做出復(fù)雜行為判斷之前，視網(wǎng)膜在對光刺激信號進(jìn)行檢測的同時，并行處理所捕獲的圖像信息。開發(fā)人工視覺系統(tǒng)的挑戰(zhàn)是雙重的，既要重新創(chuàng)建動物系統(tǒng)的靈活性、復(fù)雜性和適應(yīng)性，又要通過高效率計算和簡潔的方式來實現(xiàn)它。目前的人工視覺系統(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)器視覺算法的數(shù)字系統(tǒng)相連接來實現(xiàn)，這些傳統(tǒng)的數(shù)字人工視覺系統(tǒng)具有功耗高、尺寸大、成本高等缺點(diǎn)。相比而言，人類視覺系統(tǒng)擁有很多帶有突觸的視神經(jīng)元，它們不僅能夠探測圖像信息，還可以存儲信息和處理數(shù)據(jù)，因此能平行地處理大量的信息，而每個突觸活動所耗費(fèi)的能量僅為1-100飛焦耳。因此，將圖像感測、存儲和處理功能集成到器件的單一空間，并針對連續(xù)模擬亮度信號實時處理不同類型的時空計算，對實現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)人工視覺系統(tǒng)意義重大。具有神經(jīng)形態(tài)的光電傳感器通過模擬電子電路，實現(xiàn)由生物系統(tǒng)啟發(fā)的特殊視覺處理功能，這些電路特別適合于嘗試模仿生物視覺系統(tǒng)的構(gòu)建。
近期，中國科學(xué)院金屬研究所科研人員與國內(nèi)多家單位的科研團(tuán)隊合作，開發(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)視覺系統(tǒng)，必須首先獲得具有超高響應(yīng)度、探測性和信噪比的光電傳感器。為了在極端昏暗的光線條件下實現(xiàn)增強(qiáng)的成像能力，科研人員設(shè)計并制備了一個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)視覺系統(tǒng)的有源材料，集成了光傳感、信息存儲和數(shù)據(jù)預(yù)處理等功能，成功實現(xiàn)了視覺圖像強(qiáng)化學(xué)習(xí)過程。這兩類材料都具有優(yōu)異的柔韌性、穩(wěn)定性及工藝兼容等特點(diǎn)，通過材料組合為實現(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)人工視覺傳感器提供了新策略。這也是次通過高集成度物理器件陣列方式，實現(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)行為類似，光電傳感器、存儲元件和數(shù)據(jù)分析處理等組件在陣列享物理空間，并實時并行處理信息，這些結(jié)果對于試圖模仿生物視覺處理的人工視覺系統(tǒng)具有重要的啟發(fā)意義。
該工作由金屬所孫東明、成會明課題組與南京理工大學(xué)李曉明、曾海波課題組，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。金屬所博士生朱錢兵、李波為共同作者。該研究計劃得到了國家自然科學(xué)、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、先導(dǎo)項目和沈陽材料科學(xué)國家研究中心等項目支持。
圖1. 單元器件設(shè)計與性能。半導(dǎo)體性碳納米管和無機(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. 探測度與激光功率密度關(guān)系，其中探測度高達(dá)2×1016 Jones；c. 基于不同類別材料的器件響應(yīng)度-探測度綜合性能對比；d. 光學(xué)和電學(xué)激勵下的器件開關(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)人工視覺光電傳感器。a. 人工視覺芯片外觀圖（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. 人類視覺皮層針對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個光脈沖后數(shù)字“8”的突觸權(quán)重結(jié)果。其中，激光波長405nm，光脈沖寬度250ms，脈沖間隔250ms；g. 人類面部（論文作者）的識別訓(xùn)練過程模擬。