為了監(jiān)控和導(dǎo)航現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境，機(jī)器和機(jī)器人應(yīng)該能夠在不同的背景照明條件下收集圖像和測量值。近年來，世界各地的工程師因此一直在嘗試開發(fā)越來越先進(jìn)的傳感器，這些傳感器可以集成到機(jī)器人、監(jiān)控系統(tǒng)或其他可以從感知周圍環(huán)境中受益的技術(shù)中。

香港理工大學(xué)、北京大學(xué)、延世大學(xué)和復(fù)旦大學(xué)的研究人員最近創(chuàng)造了一種新的傳感器，可以在各種光照條件下收集數(shù)據(jù)，采用一種人工復(fù)制人眼視網(wǎng)膜功能的機(jī)制。這種仿生傳感器發(fā)表在NatureElectronics上的一篇論文中，是使用由二硫化鉬制成的光電晶體管制造的。

“我們的研究團(tuán)隊(duì)五年前就開始了對(duì)光電存儲(chǔ)器的研究，”開發(fā)該傳感器的研究人員之一楊柴告訴TechXplore。“這種新興設(shè)備可以輸出光相關(guān)和歷史相關(guān)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)圖像集成、微弱信號(hào)累積、光譜分析等復(fù)雜的圖像處理功能，將傳感、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理的多功能集成在一個(gè)設(shè)備中。”

2018年，Chai和他的同事發(fā)表了他們的第一篇關(guān)于光電存儲(chǔ)器的論文，他們?cè)谄渲薪榻B了一種電阻開關(guān)存儲(chǔ)器件，該器件可以執(zhí)行光傳感和邏輯操作。一年后，該團(tuán)隊(duì)推出了一種具有三種不同功能的新型光電電阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器設(shè)備。具體來說，這種新設(shè)備可以感知環(huán)境，將信息存儲(chǔ)在內(nèi)存中，并執(zhí)行神經(jīng)形態(tài)的視覺預(yù)處理操作。

“在2020年，我們研究了近傳感器和傳感器內(nèi)計(jì)算范式的概念，并提供了我們?cè)谠擃I(lǐng)域的觀點(diǎn)，”Chai說。“我們的新研究建立在我們之前的所有努力之上。”

自然光的強(qiáng)度變化很大，總范圍為280dB。人的視網(wǎng)膜在感知外界光信號(hào)時(shí)，會(huì)根據(jù)信號(hào)的強(qiáng)弱來調(diào)整其感光器(即視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞)的感光度。這最終使人眼逐漸適應(yīng)不同程度的照明，在黑暗和明亮的環(huán)境中都能看清，這種能力被稱為“視覺適應(yīng)”。

“例如，當(dāng)你從一個(gè)明亮的大廳進(jìn)入一個(gè)黑暗的電影院時(shí)，最初你幾乎看不到任何東西，但在電影院里呆了一會(huì)兒，就變得更容易看到了，”柴解釋說。“這種現(xiàn)象被稱為暗適應(yīng)。相反，如果你在晴天從黑暗的電影院出來，一開始會(huì)覺得很眼花繚亂，需要一段時(shí)間才能看到周圍的景色。這個(gè)過程與暗適應(yīng)相反。，這被稱為明視適應(yīng)。”

Chai和他的同事最近工作的主要目標(biāo)是構(gòu)建一種受人類視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)和功能啟發(fā)的傳感設(shè)備。為此，他們首先開始研究視網(wǎng)膜，然后嘗試制定策略，讓他們能夠人為地復(fù)制其視覺適應(yīng)能力。

基于硅互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)的最先進(jìn)的圖像傳感器通常具有70dB的有限動(dòng)態(tài)范圍。這個(gè)范圍比自然場景的照明范圍(280dB)要窄得多。

“為了在大的照明強(qiáng)度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)視覺，研究人員已經(jīng)探索了在后處理中使用受控光學(xué)孔徑、液體透鏡、可調(diào)節(jié)曝光時(shí)間和去噪算法，”Chai說。“然而，這些方法通常需要復(fù)雜的硬件和軟件資源。”

能夠適應(yīng)視覺并在感官終端具有廣泛感知范圍的光電設(shè)備可能具有非常有價(jià)值的應(yīng)用。例如，它們可以幫助提高計(jì)算機(jī)視覺工具的性能，降低構(gòu)建機(jī)器人或其他傳感系統(tǒng)所需的硬件復(fù)雜性，并提高圖像識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

過去，其他研究團(tuán)隊(duì)推出了可以適應(yīng)不同光照條件的光電器件。盡管如此，大多數(shù)先前提出的設(shè)備只能復(fù)制視網(wǎng)膜的明視適應(yīng)機(jī)制。另一方面，暗適應(yīng)過程迄今已被證明更難模擬。

“要完全復(fù)制視網(wǎng)膜的視覺適應(yīng)功能，還有很長的路要走，”柴解釋說。“為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種使用超薄半導(dǎo)體的光電晶體管型視覺傳感器，它可以通過施加不同的柵極電壓來控制同一設(shè)備中的暗適應(yīng)和明適應(yīng)程度。通過這種方式，我們模擬了視網(wǎng)膜中的感光器和水平細(xì)胞，并成功實(shí)現(xiàn)了生物啟發(fā)的傳感器內(nèi)視覺適應(yīng)裝置，感知范圍擴(kuò)大到199dB。”

Chai及其同事開發(fā)的仿生視覺傳感器基于由超薄半導(dǎo)體材料(即二硫化鉬)制成的光電晶體管。他們使用的光電晶體管具有多種電荷陷阱狀態(tài)，這些狀態(tài)可以在不同的柵極電壓下捕獲或釋放溝道內(nèi)的電子。

最終，這些狀態(tài)允許研究人員動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)其設(shè)備的電導(dǎo)。這反過來又使他們能夠人為地復(fù)制人類視網(wǎng)膜的暗視和明視適應(yīng)機(jī)制，從而擴(kuò)大其傳感器響應(yīng)不同照明條件的感知范圍。

“我們的傳感器有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，”柴說。“首先，視覺適應(yīng)功能在單個(gè)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)，大大減少了占用空間。其次，它可以在單個(gè)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)多種功能，包括光感應(yīng)、記憶和處理。最后，它可以用于執(zhí)行暗視和只需控制其柵極電壓即可適應(yīng)不同的背景光強(qiáng)度。”

Chai和他的同事在一系列測試中評(píng)估了他們的仿生傳感器，發(fā)現(xiàn)它可以有效地模擬人類視網(wǎng)膜的功能，在暗適應(yīng)和明適應(yīng)方面都取得了顯著的成果。此外，與之前提出的解決方案相比，它具有明顯更高的感知范圍(即199dB)。

“我們的傳感器可以豐富機(jī)器視覺功能，降低硬件復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)高圖像識(shí)別效率，”柴說。“所有這些好處在復(fù)雜照明環(huán)境下的自動(dòng)駕駛、人臉識(shí)別和工業(yè)制造等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用前景。”

在接下來的研究中，研究人員計(jì)劃進(jìn)一步提高傳感器的性能，同時(shí)還使用它們來制造由傳感器陣列組成的大規(guī)模系統(tǒng)。理想情況下，他們希望在柔性或半球形基板上構(gòu)建此傳感器陣列，以實(shí)現(xiàn)更寬的視野。

“一個(gè)需要改進(jìn)的領(lǐng)域是我們傳感器的適應(yīng)時(shí)間，因?yàn)樗匀徊蛔阋灾С謾C(jī)器視覺應(yīng)用，”Chai補(bǔ)充道。“我們的目標(biāo)是將適應(yīng)時(shí)間降低到微秒級(jí)。傳感器陣列規(guī)模也需要進(jìn)一步提升。我們近期的陣列規(guī)模目標(biāo)是大于100×100。最后，視覺傳感器的異構(gòu)集成與后-具有硅基控制電路的處理單元是邁向?qū)嶋H應(yīng)用的非常重要的一步。”

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