河北大学闫小兵Adv. Funct. Mater.丨在基于光电忆阻器的的多功能高效人工视觉神经系统方向取得重要进展

引言

80%以上的生物学习信息是通过视觉系统接收的；因此，人工视觉系统在人工智能技术领域一直备受关注。目前，模拟一系列人类视觉系统的活动，如辨别、记忆和诱发肌肉活动，仍然是一个挑战。河北大学闫小兵团队将Sb₂Se₃/CdS纳米棒阵列光电忆阻器、阈值开关忆阻器和机械眼相结合，开发了一种能够识别、记忆和驱动自我保护的高速多功能人工视觉系统。当激活光电忆阻器时，它可以使机械眼活动，模拟眼部肌肉收缩，再现人眼受到强光伤害时闭上眼睛的自我保护反应。人工视觉系统为生物纳米技术提供了一种潜在的技术，特别是在生物传感器系统的人工智能模拟领域。该成果以 “A Multifunctional and Efficient Artificial Visual Perception Nervous System with Sb₂Se₃/CdS-Core/Shell (SC) Nanorod Arrays Optoelectronic Memristor”为题，在国际知名学术期刊《Advanced Function Materials》上发表。

成果简介

感觉记忆使人们能够通过生物受体来体验真实世界并与之互动，以进行感觉认知处理，生物受体可以检测一系列环境刺激并将其转换为大脑可解释的电脉冲。视觉系统是六大主要感知系统之一，它使人类能够从复杂的自然环境中收集数据，而复杂的自然环境占信息的80%以上。眼睛、大脑和肌肉不仅可以协同执行对光刺激的感知、识别和记忆，还可以通过闭眼对超强光做出反应来保护眼睛。利用人工智能模拟视觉系统在电子眼、仿生机器人和生物医学器官移植等领域具有巨大的潜力。在此之前，闫小兵团队提出了一种完全基于记忆器的人工视觉感知神经系统，该系统由光电记忆器和阈值切换记忆器组成（ACS Nano 2021, 15, 11, 17319–17326），但尚未能完成的控制肌肉保护自己功能。

在此基础上本文报道了一种具有一系列视觉行为的多功能人工视觉系统，该系统由纳米棒阵列光电忆阻器集成。展示了高效光电忆阻器、阈值开关忆阻器和不需要复杂信号处理电路进行数据分析和存储的执行器来实现人工视觉感知神经系统。特别是，当光电忆阻器被激活时，它可以使机械眼运动，模拟眼部肌肉收缩，再现人眼被强光损伤时闭上眼睛的自我保护行为。此外，还忠实地实现了识别、记忆和执行自我保护等多项功能。实验结果表明，光电忆阻器器件具有较大的响应速度和响应电流。这有助于简化外围电路以读取光响应电流，并且系统不易受到信号噪声的影响。

图1： Sb₂Se₃纳米棒阵列的结构表征。a） 生物视觉系统示意图。b） 用CdS沉积Sb₂Se₃(SC)纳米棒阵列忆阻器的步骤。c） Sb₂Se₃纳米棒阵列的扫描电子显微镜（SEM）顶视图显微照片。d） 一个SC核/壳纳米棒的SEM图像。e） 一个Sb₂Se₃核心纳米棒的SEM图像。f） SC纳米棒的高分辨率TEM图像。i）Sb₂Se₃/CdS纳米棒的SEM图像和EDS元素图。

图2：。SC器件的电气性能表征。a） SC纳米棒阵列器件在黑暗中的I-V特性。b） SC纳米棒阵列光器件的I-V特性。c） SC纳米棒阵列器件在光照下的设定电压和复位电压的分布，曲线为高斯分布，符合直方图。d）在光照下扫描100个I-V周期的电阻分布统计。e)纳米棒阵列器件在光照下的保留特性。f） 在光照下测量了SC纳米棒阵列器件的脉冲耐久性。g） 连续20个正脉冲后的电压响应。h） 连续20个正脉冲后的电压响应。

图3：光可调突触特性。a） SC器件的脉冲开关特性。b） SC器件模拟时间依赖性可塑性（STDP）功能。c） SC器件模拟对称STDP功能。d） 由两个相隔1秒的连续光脉冲引起的突触后电流。e） 配对脉冲易化指数（A2/A1）与两个光脉冲之间的时间间隔之间的关系。f） 波长为650 nm的光-时间依赖性（0、3 ms、5 ms、7 ms）短期塑性。g） 电导对一系列频率变化的光脉冲的响应。h） 模拟生物学习过程。

图4：。SC忆阻器的物理机制。a） SC纳米棒阵列装置中的光吸收和反射示意图。b） TiN/SC/Mo装置的Ln（I）-Ln（V）曲线。c） 蓝光下，典型的异质结电流发展过程。d–e）SC纳米棒阵列表面AFM的表面形貌和c-AFM的电流分布。f） SC纳米棒阵列装置的工作机理示意图。

图5：。多功能、高效的人工视觉感知神经系统。a） 人工视觉系统的组成部分。b） 不同光照强度下神经元输出信号的电压频率和振幅c）眼肌肉在收缩（睁眼）期间的状态。d） 作为普通光照时间函数的致动器拉力值。e） 眼睛肌肉放松（眼睛闭上）时的状态。f） 致动器拉力值是强光照射时间的函数。

小结

作者团队设计了一个模拟人类视觉系统三种功能的人工视觉系统：感知、记忆和保护行为。SC纳米棒阵列光电忆阻器接收光信号并将其转换为电压，然后将其传输至基于阈值开关忆阻器的神经元电路。当神经元电路的输出电压达到设定值时，机械眼被激活以完成运动。Sb₂Se₃/CdS的设计使SC器件能够执行光学突触的基本功能，同时显著提高光收集率。结果，该器件实现了高响应速度和强响应电流。本研究为未来的生物神经系统人工智能建模，特别是构建多功能、高效的机器人视觉系统，提供了一种潜在的有用方法。

作者简介

闫小兵：河北大学电子信息工程学院教授，博士生导师。近年来致力于类脑芯片关键元器件忆阻器与系统的研发，先后获得国家重大人才工程青年学者、教育部霍英东青年教师奖、宝钢优秀教师奖、河北省青年科技奖、河北省青年五四奖章、河北省青年拔尖人才、河北省三三三人才二层次称号、河北省杰出青年等。在顶级国际权威期刊 Nature Nanotechnology、Advanced Materials、Nature Communications等发表论文100余篇，2019年被评为全球前2%顶尖科学家。

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原文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202203454