河北大學閆小兵Adv. Funct. Mater.丨在基于光電憶阻器的的多功能高效人工視覺神經系統方向取得重要進展

引言

80%以上的生物學習信息是通過視覺系統接收的；因此，人工視覺系統在人工智能技術領域一直備受關注。目前，模擬一系列人類視覺系統的活動，如辨別、記憶和誘發肌肉活動，仍然是一個挑戰。河北大學閆小兵團隊將Sb₂Se₃/CdS納米棒陣列光電憶阻器、閾值開關憶阻器和機械眼相結合，開發了一種能夠識別、記憶和驅動自我保護的高速多功能人工視覺系統。當激活光電憶阻器時，它可以使機械眼活動，模擬眼部肌肉收縮，再現人眼受到強光傷害時閉上眼睛的自我保護反應。人工視覺系統為生物納米技術提供了一種潛在的技術，特別是在生物傳感器系統的人工智能模擬領域。該成果以?“A Multifunctional and Efficient Artificial Visual Perception Nervous System with Sb₂Se₃/CdS-Core/Shell (SC) Nanorod Arrays Optoelectronic Memristor”為題，在國際知名學術期刊《Advanced Function?Materials》上發表。

成果簡介

感覺記憶使人們能夠通過生物受體來體驗真實世界并與之互動，以進行感覺認知處理，生物受體可以檢測一系列環境刺激并將其轉換為大腦可解釋的電脈沖。視覺系統是六大主要感知系統之一，它使人類能夠從復雜的自然環境中收集數據，而復雜的自然環境占信息的80%以上。眼睛、大腦和肌肉不僅可以協同執行對光刺激的感知、識別和記憶，還可以通過閉眼對超強光做出反應來保護眼睛。利用人工智能模擬視覺系統在電子眼、仿生機器人和生物醫學器官移植等領域具有巨大的潛力。在此之前，閆小兵團隊提出了一種完全基于記憶器的人工視覺感知神經系統，該系統由光電記憶器和閾值切換記憶器組成（ACS Nano 2021, 15, 11, 17319–17326），但尚未能完成的控制肌肉保護自己功能。

在此基礎上本文報道了一種具有一系列視覺行為的多功能人工視覺系統，該系統由納米棒陣列光電憶阻器集成。展示了高效光電憶阻器、閾值開關憶阻器和不需要復雜信號處理電路進行數據分析和存儲的執行器來實現人工視覺感知神經系統。特別是，當光電憶阻器被激活時，它可以使機械眼運動，模擬眼部肌肉收縮，再現人眼被強光損傷時閉上眼睛的自我保護行為。此外，還忠實地實現了識別、記憶和執行自我保護等多項功能。實驗結果表明，光電憶阻器器件具有較大的響應速度和響應電流。這有助于簡化外圍電路以讀取光響應電流，并且系統不易受到信號噪聲的影響。

圖1： Sb₂Se₃納米棒陣列的結構表征。a） 生物視覺系統示意圖。b） 用CdS沉積Sb₂Se₃(SC)納米棒陣列憶阻器的步驟。c） Sb₂Se₃納米棒陣列的掃描電子顯微鏡（SEM）頂視圖顯微照片。d） 一個SC核/殼納米棒的SEM圖像。e） 一個Sb₂Se₃核心納米棒的SEM圖像。f） SC納米棒的高分辨率TEM圖像。i）Sb₂Se₃/CdS納米棒的SEM圖像和EDS元素圖。

圖2：。SC器件的電氣性能表征。a） SC納米棒陣列器件在黑暗中的I-V特性。b） SC納米棒陣列光器件的I-V特性。c） SC納米棒陣列器件在光照下的設定電壓和復位電壓的分布，曲線為高斯分布，符合直方圖。d）在光照下掃描100個I-V周期的電阻分布統計。e)納米棒陣列器件在光照下的保留特性。f） 在光照下測量了SC納米棒陣列器件的脈沖耐久性。g） 連續20個正脈沖后的電壓響應。h） 連續20個正脈沖后的電壓響應。

圖3：光可調突觸特性。a） SC器件的脈沖開關特性。b） SC器件模擬時間依賴性可塑性（STDP）功能。c） SC器件模擬對稱STDP功能。d） 由兩個相隔1秒的連續光脈沖引起的突觸后電流。e） 配對脈沖易化指數（A2/A1）與兩個光脈沖之間的時間間隔之間的關系。f） 波長為650 nm的光-時間依賴性（0、3 ms、5 ms、7 ms）短期塑性。g） 電導對一系列頻率變化的光脈沖的響應。h） 模擬生物學習過程。

圖4：。SC憶阻器的物理機制。a） SC納米棒陣列裝置中的光吸收和反射示意圖。b） TiN/SC/Mo裝置的Ln（I）-Ln（V）曲線。c） 藍光下，典型的異質結電流發展過程。d–e）SC納米棒陣列表面AFM的表面形貌和c-AFM的電流分布。f） SC納米棒陣列裝置的工作機理示意圖。

圖5：。多功能、高效的人工視覺感知神經系統。a） 人工視覺系統的組成部分。b） 不同光照強度下神經元輸出信號的電壓頻率和振幅c）眼肌肉在收縮（睜眼）期間的狀態。d） 作為普通光照時間函數的致動器拉力值。e） 眼睛肌肉放松（眼睛閉上）時的狀態。f） 致動器拉力值是強光照射時間的函數。

小結

作者團隊設計了一個模擬人類視覺系統三種功能的人工視覺系統：感知、記憶和保護行為。SC納米棒陣列光電憶阻器接收光信號并將其轉換為電壓，然后將其傳輸至基于閾值開關憶阻器的神經元電路。當神經元電路的輸出電壓達到設定值時，機械眼被激活以完成運動。Sb₂Se₃/CdS的設計使SC器件能夠執行光學突觸的基本功能，同時顯著提高光收集率。結果，該器件實現了高響應速度和強響應電流。本研究為未來的生物神經系統人工智能建模，特別是構建多功能、高效的機器人視覺系統，提供了一種潛在的有用方法。

作者簡介

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閆小兵：河北大學電子信息工程學院教授，博士生導師。近年來致力于類腦芯片關鍵元器件憶阻器與系統的研發，先后獲得國家重大人才工程青年學者、教育部霍英東青年教師獎、寶鋼優秀教師獎、河北省青年科技獎、河北省青年五四獎章、河北省青年拔尖人才、河北省三三三人才二層次稱號、河北省杰出青年等。在頂級國際權威期刊 Nature Nanotechnology、Advanced Materials、Nature Communications等發表論文100余篇，2019年被評為全球前2%頂尖科學家。

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原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202203454