科學(xué)家研發(fā)光電憶阻器，可用于制備神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片
發(fā)布人：深科技
時(shí)間：2024-08-13
來(lái)源：工程師
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在 AI 時(shí)代，人類視覺(jué)系統(tǒng)的復(fù)雜性和高效性，為智能設(shè)備、自動(dòng)駕駛、人工視覺(jué)等領(lǐng)域的研究提供了重要參考。
尤其是視網(wǎng)膜電子設(shè)備為實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)感知提供了理想的硬件平臺(tái)。
光電憶阻器——集傳感、記憶和處理等多功能于一體，被認(rèn)為是構(gòu)建新型神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)系統(tǒng)的理想候選器件。
然而，光/電混合信號(hào)的復(fù)雜操作仍然是大多數(shù)光電憶阻器實(shí)現(xiàn)器件電導(dǎo)可逆調(diào)制所需的，這不可避免地會(huì)增加器件運(yùn)行的功耗。
對(duì)于高效圖像處理而言，人們需要與生物視網(wǎng)膜功能相似的全光調(diào)制憶阻器。
為解決這個(gè)問(wèn)題，吉林大學(xué)王曉峰教授和團(tuán)隊(duì)嘗試采用生物材料葉綠素來(lái)制備光電憶阻器，并希望通過(guò)模擬生物的視覺(jué)功能，探索器件全光調(diào)控特性的實(shí)現(xiàn)方式以及生物某些視覺(jué)功能（邊緣檢測(cè)）的原理。
王曉峰表示：“研究從一開始就面臨著各種困難。我的課題組不具備憶阻器件的測(cè)試設(shè)備，因此剛剛?cè)雽W(xué)的一年級(jí)研究生蔣健最初比較抵觸從事這一研究方向?！?/span>
一方面王曉峰鼓勵(lì)他要堅(jiān)持，另一方面還要努力尋找可以合作的單位。
幸運(yùn)的是，當(dāng)王曉峰第一次打電話給東北師范大學(xué)王中強(qiáng)教授尋求幫助的時(shí)候，后者痛快地答應(yīng)了王曉峰的合作請(qǐng)求。
王曉峰說(shuō)：“此后蔣健的試驗(yàn)在吉大和師大兩邊進(jìn)行，他在一年當(dāng)中去師大檢測(cè)器件的次數(shù)超過(guò) 100 次，其中為了能夠獲得更好的數(shù)據(jù)，至少有 10 余次的試驗(yàn)是通宵完成的?！?/span>
當(dāng)蔣健無(wú)意間檢測(cè)出了葉綠素器件的全光調(diào)控突觸特性，并且發(fā)現(xiàn)這一成果還沒(méi)有相關(guān)報(bào)道的時(shí)候，他們感到所有的堅(jiān)持都是值得的。
（來(lái)源：Advanced Functional Materials）據(jù)介紹，本次制備的基于葉綠素的光電憶阻器，能夠用于開發(fā)更先進(jìn)的圖像傳感器和光電融合傳感器，提升對(duì)不同光照條件下的感知能力，在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域具有一定潛在應(yīng)用。
例如，它能提高圖像的對(duì)比度和清晰度，從而增強(qiáng)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)道路、行人和障礙物的識(shí)別能力。
此外，本次器件能夠模擬突觸行為，可用于構(gòu)建神經(jīng)形態(tài)計(jì)算芯片，實(shí)現(xiàn)高效的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理，適用于 AI 邊緣計(jì)算和 AI 實(shí)時(shí)任務(wù)處理。
同時(shí)，本次器件的全光調(diào)控特性，讓其能夠用于開發(fā)新型的能源感知與存儲(chǔ)設(shè)備。
例如，在太陽(yáng)能電池中，它可能用于提高光電轉(zhuǎn)換效率，或用于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能量存儲(chǔ)和釋放過(guò)程。
除此之外，本次光電憶阻器的潛在應(yīng)用不止于此。葉綠素作為一種天然生物材料對(duì)環(huán)境友好，可用于開發(fā)柔性、生物相容的光電憶阻器，從而能為該領(lǐng)域的潛在應(yīng)用提供嶄新視角。
日前，相關(guān)論文以《基于視網(wǎng)膜葉綠素異質(zhì)結(jié)的全光調(diào)制突觸可塑性光電阻抗器啟用神經(jīng)形態(tài)邊緣檢測(cè)》（Retina-Like Chlorophyll Heterojunction-Based Optoelectronic Memristor with All-Optically Modulated Synaptic Plasticity Enabling Neuromorphic Edge Detection）為題發(fā)在 Advanced Functional Materials[1]。
吉林大學(xué)碩士生蔣健是第一作者，王曉峰和王中強(qiáng)擔(dān)任共同通訊作者。
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Advanced Functional Materials）對(duì)于本次論文，審稿人 1 評(píng)價(jià)稱：“葉綠素衍生物異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于植物的光合作用過(guò)程，對(duì)提高器件的光電性能和實(shí)現(xiàn)全光調(diào)制突觸可塑性很有意義?！?/span>
審稿人 2 評(píng)價(jià)稱：“這篇論文提出的全光調(diào)控光電憶阻器非常有趣，對(duì)于實(shí)現(xiàn)新一代神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)系統(tǒng)非常重要?！?/span>
審稿人 3 評(píng)價(jià)：“研究人員開發(fā)了一種能有效模擬視網(wǎng)膜雙極細(xì)胞的人工器件，并展示了該器件在模仿生物雙極細(xì)胞上的潛力”。
另?yè)?jù)悉，課題組在探索過(guò)程中發(fā)現(xiàn)葉綠素材料在可見(jiàn)光波段范圍的吸收上具有很大的差異性。
這尤其體現(xiàn)在紅、藍(lán)、綠光對(duì)應(yīng)的三個(gè)波段，基于此制備的器件對(duì)應(yīng)這三種波段的光響應(yīng)電流也具有可區(qū)分性，因此這將為該團(tuán)隊(duì)后續(xù)模擬人類視網(wǎng)膜三色識(shí)別功能提供一定基礎(chǔ)。
另外，生物眼睛的球狀結(jié)構(gòu)是獲得更大視野范圍的基礎(chǔ)，而雙眼在空間位置的細(xì)微差距會(huì)導(dǎo)致成像不同，這是生物實(shí)現(xiàn)立體感知的重要條件（即雙目效應(yīng)）。
為了更好地模擬上述功能，除了光電憶阻器需要具備全光調(diào)控的特性外，選取合適的柔性襯底是實(shí)現(xiàn)器件貼附于半球體的關(guān)鍵。
因此，他們還會(huì)致力于研究器件的光電性能、以及研究材料整體機(jī)械柔性之間的相互影響。
參考資料：
1.Jiang, J., Shan, X., Xu, J., Sun, Y., Xiang, T. F., Li, A., ... & Wang, X. F. (2024). Retina‐Like Chlorophyll Heterojunction‐Based Optoelectronic Memristor with All‐Optically Modulated Synaptic Plasticity Enabling Neuromorphic Edge Detection.Advanced Functional Materials, 2409677.
運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍
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