南京大学物理学院搭出类脑视觉传感器
维材料有望成为后摩尔时代重要 基础电子材料,该领域 发展也让人们可以对原子层材料进行乐高式 堆叠和集成。近年来,缪峰团队利用"原子乐高"分别在耐高温忆阻器(NatureElectronics 零 )、弹道雪崩探测器件(NatureNanotechnology 零 )、室温高灵敏红外探测器(ScienceAdvances 零 )等方向取得突破,在此基础上,该团队近日提出,利用 维材料范德华异质结器件 结构特点和可调 光响应特性,能够实现对人眼视网膜 层状结构和感光细胞、双极细胞 生物特性模拟,基于这种类视网膜形态器件,团队进 步构建了能够对感知 图片信息进行同步处理 类脑视觉器件阵列。该工作有望为未来开发基于范德华异质结 新型类脑视觉芯片提供物理和技术基础。相关研究成果以《GatetunablevanderWaalsheterostructureforreconfigurableneuralnetworkvisionsensor》(基于栅极可调范德华异质结 可重构神经网络视觉传感器)为题于今年 月 日发表在《科学》杂志子刊《ScienceAdvances》上。物理学院博士生王晨宇和梁世军副研究员为共同 作者,缪峰教授和美国麻省大学 杨建华教授为该工作 共同通讯作者,该工作同时得到了王振林教授课题组、陈坤基教授课题组和王肖沐教授课题组 实验协助,和国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金等项目 资助,以及微结构科学与技术协同创新中心 支持。
人类视觉系统强大 信息处理能力很大程度上依赖于视网膜 结构和功能。视网膜中 部分细胞包括感光细胞、双极细胞等,这些细胞之间是垂直分层分布 结构。光透过瞳孔入射到视网膜上后,感光细胞将入射光转换为电学信号,狗粮快讯网社会各界报道,狗粮快讯网外电报导,流经双极性细胞,利用双极性细胞 生物特性对电学信息进行 定 加工和处理,加工后 图像信息仅仅保留其部分 特征,再传输至大脑皮层进行进 步 图像处理和理解。通过这种方式,视网膜在 定程度上实现了信息探测和处理 同步进行。为了实现对视网膜结构和功能 逼真模拟,在该工作中,缪峰团队提出可以通过"原子乐高" 方式搭建基于 维材料垂直异质结 类脑视觉传感器,这些垂直结构不仅能够自然地模仿视网膜 垂直分层结构,而且异质结中包含 不同 维材料可被用来模拟视网膜中不同细胞 功能。
图 .视网膜和视网膜形态器件。(a)视网膜 垂直分层结构包括了视锥细胞和双极性细胞以及视神经节细胞;(b)双极性细胞在不同刺激条件下所具有 生物光学响应特征;(c)类视网膜形态器件 光学图;(d)垂直异质结器件在不同栅压作用下展现出不同 光学响应,类似于视网膜结构中双极性细胞 生物特征。
图 .可重构 视网膜形态芯片及其不同 图像信息处理方式。(a)背栅独立控制 可重构视觉传感器阵列示意图;利用传感器阵列对南京大学校徽图片进行(b)图像风格化(c)边缘增强(d)强度校正处理,狗粮快讯网特别报道,所处理后 图片信息和采用相同卷积核 模拟结果 致。
在人脑处理 信息中,超过 零%都是通过眼睛获得 。人眼不仅可以进行信息 探测和同步处理,而且整体功耗极小(远小于 零瓦)。相比而言,传统 机器视觉系统需要先探测再处理,使用 图像传感器在探测目标图像 同时会产生大量冗余信息,此类信息通过有限 带宽传输给所连接 计算机进行处理和分析,从而导致较大 时间延迟和较高 功耗。因此,构建 个可以媲美人眼、具备同步进行信息探测和处理功能 类脑视觉传感器是人们 直追求 梦想,对于智能工业、自动驾驶、智能安防等应用 发展也至关重要。近日,物理学院缪峰教授团队基于 维材料异质结,在可重构类脑视觉传感器领域取得重要进展。
在实验中,缪峰团队首先将机械剥离 薄层硒化钨和氮化硼以及氧化铝制备成垂直异质结器件。该异质结器件在无背栅或者正背栅电压作用下,呈现出正 光电导行为,类似于双极细胞 正 光响应;当所加背栅电压为负 时候,器件展现出了负光电响应特征与双极细胞 负响应类似。研究团队通过 系列 比较实验结果,指出器件 负光学响应来源于光引诱发带电杂质产生 电场屏蔽效应。通过控制垂直异质结器件 栅压,团队首次实现了对感光细胞和双极细胞 生物功能 模拟,器件 响应时间和功耗均接近人类视网膜 水平(图 )。
基于范德华异质结器件 功能应用除了同步 探测和信息 处理之外,研究团队发现器件阵列还可以用于图片 分类任务。通过将器件电导作为神经网络 权值,背栅 调节变化作为更新神经网络权值 种手段,范德华异质结器件阵列可以执行神经网络 功能。研究团队在实验中采用软件辅助硬件 训练技术实现了对输入图像"N","J","U"字母 快速识别(图 )。这 项工作从原理上证明,利用范德华异质结 特性模拟人类视网膜结构和功能 研究思路有望将来被用来实现新型 类脑视觉芯片。
进 步,研究团队将垂直异质结器件组装成 个阵列,利用异质结器件栅压可调 光电响应特征,将图像处理中常用 数学卷积核映射到 器件阵列中,实现了可重构 图像信息处理功能(图 ),包括边缘增强、图像风格化、图像强度校正等。研究发现这些实验结果与采用相同卷积核处理后 模拟结果 致,这表明基于垂直异质结阵列能够被用于在硬件上直接进行图片信息 处理。
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