近日，重慶綠色智能技術研究院微納制造與系統(tǒng)集成研究中心在Science開放獲取子刊Science Advances上，以“Bionic visual-audio photodetectors with in-sensor perception and preprocessing(可片上探測和預處理的仿生視聽光電探測器)”為題發(fā)表研究論文，提出了一種仿生“視聽”光電探測器，通過模擬人類感知系統(tǒng)中神經突觸間的“興奮”和“抑制”行為，在傳感端集成了“視聽”信號探測與預處理功能(圖1)。
圖1：模仿人類感知系統(tǒng)的仿生視聽光電探測器工作原理示意圖。PPC，正光電流；ZPC，無光電流；NPC，負光電流。
眼睛和耳朵作為主導視覺和聽覺的兩個重要器官，在人類感知外部信息過程中占據著不可或缺的地位。傳統(tǒng)感知技術依賴于獨立的光學和聲學探測器件，且探測模塊獲取的數據中充斥著冗余的背景干擾信息，給數據的轉化、傳輸和存儲帶來了極大的壓力，嚴重制約了感知系統(tǒng)的運行效率。
從人體感知器官獲得靈感，研發(fā)新一代神經擬態(tài)傳感器成為推動系統(tǒng)朝著智能化和集成化發(fā)展的關鍵。在人類視覺和聽覺器官中，細胞以及神經元回路不僅具有探測外部激勵信號的功能，還能夠實現探測信號的預處理，有利于消除背景干擾信息，從而加快大腦的運算速度。然而，鑒于視覺和聽覺信號探測機制的本質差異，目前尚難以通過單一器件實現雙模態(tài)探測，因此，開發(fā)能同時探測和預處理“視聽”信息的新型神經擬態(tài)傳感器成為當務之急。
微納制造與系統(tǒng)集成研究中心提出了基于石墨烯-鍺異質結場效應晶體管結構的仿生“視聽”光電探測器，通過光學方法在單個器件上融合了視覺和聽覺傳感功能，來模仿感覺細胞對視聽信號的智能感知。通過編程柵壓，利用連續(xù)可調的正負光電流動態(tài)模擬了神經元通路中的“興奮”和“抑制”行為，該器件不僅對視覺圖像實現了翻轉，銳化，邊緣提取等預處理操作，而且證明了其具有目標字符圖像的分類功能。此外，該器件還能夠對所采集的聲波信號強度進行調控，根據所記錄的聲波“形狀”，實現了鋼琴音調和中英文對話音頻的還原。這種具有“視聽”信號探測與預處理功能于一體的石墨烯基器件有效簡化了硬件結構，為推動小型化、高集成、多功能和智能化傳感系統(tǒng)的發(fā)展提供了新思路。
上述工作得到了重慶研究院“十四五”科技創(chuàng)新規(guī)劃主攻方向之一“碳基光電探測器”的支持，以及科技部國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。重慶研究院博士研究生付津滔為論文的第一作者，魏興戰(zhàn)研究員為通訊作者。
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