人工智慧(AI)的發展對於構建可以模擬生物體感知系統的神經形態電子器件有了更迫切的需求。近幾年來，人工面板、電子咽喉、人工視網膜等多種人工感知器件已被開發用於人工智慧系統。視覺是人體最重要的一種感官，在我們所獲取的外界資訊中，超過80%都是由視覺系統獲得。視網膜在資訊獲取過程中起著至關重要的作用。視網膜的神經元透過突觸相互連線，將入射的光波轉化為神經訊號，再透過視神經纖維將其以動作電位的形式傳遞到大腦（圖1a-c）。
受人眼視網膜的啟發，人工視覺感知器件已經成為近年來的研究熱點，被應用於人工智慧中的學習記憶、模式識別等神經形態功能。一般來說，模擬生物視網膜的感知功能，需要整合感測器和人工突觸器件，然而多元器件的組合會導致硬體冗餘、能量浪費以及感測與計算分離等問題。將光波的捕獲和處理功能集於一個電子器件中，可以實現更高的空間和時間刺激、更低的功耗、更低的串擾、更快的訊號傳輸和更高的電路密度，這就要求半導體溝道材料具有優良的光電效能。
圖1.（a）-（c）生物視覺系統和（d）器件結構示意圖。（e）基於二維MoSSe的電子器件感存算一體化整合
在微電子學院陳琳教授團隊的工作中，製備了一種高效、穩定的柔性人工視網膜感知器件，可以同時實現電/離子和光的雙調製（圖1d）。近日，該工作以Integrated In-sensor Computing Optoelectronic Device for Environment-Adaptable Artificial Retina Perception Application為題，發表於期刊Nano Letters，微電子學院教授陳琳、孫清清為通訊作者，博士生孟佳琳為第一作者。
該器件不僅具有光感測器的作用，還能將光刺激轉化為電訊號，對資訊進行處理和儲存從而實現視覺記憶功能，這與人腦中的視覺系統功能相類似，真正實現了感知-儲存-計算一體化（圖1e）。
受人眼的啟發，利用器件光電協同調製的特性，實現了光適應以及影象的預處理和識別。基於二維MoSSe的柔性光電雙調製人工視網膜器件為將來感存算一體化的電子學研究提供新的思路。
圖2. 器件對人類視覺系統中光適應的模擬
光強可以從勒克司的幾分之一到超過104勒克司不等。視網膜的光敏感細胞為了避免刺激性光線的傷害，在視覺系統中透過自我調節來適應光線，這個過程被稱為光適應。利用該器件也可以實現類似的光強響應變化，如圖2 所示。此外，透過器件所能實現的噪聲點預處理功能，進一步提高了影象的識別率和效率（圖3）。
圖3. 利用人工視網膜器件實現的影象預處理和識別功能
論文連結：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03240
作者：王敏
來源：微電子學院
責編：章佩林
編輯：徐俊奕
