【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】人工視覺是人工智能和腦科學領域的重要分支，能夠模仿生物體復雜的視覺系統(tǒng)運作方式，高效處理大量視覺信息、適應復雜環(huán)境并實現(xiàn)多任務視覺感知，在面部識別、自動駕駛汽車和視覺假體等應用場景中變得越來越重要。目前最先進的人工視覺系統(tǒng)仍然無法做到和生物體相媲美，視覺功能單一，器件結構復雜，加工難度和成本較大。將多種視覺功能壓縮到單一的人工視覺感受器中仍然是一項嚴峻的挑戰(zhàn)。
在國家自然科學基金委、科技部、北京分子科學國家研究中心和北京同步輻射裝置的支持下，化學研究所有機固體院重點實驗室王翰林研究員和劉云圻院士團隊受螳螂蝦視覺系統(tǒng)的啟發(fā)，將手性貴金屬納米團簇和有機半導體材料堆疊，模擬螳螂蝦小眼感桿束的物理結構和功能，搭建了晶圓級人工視覺感受器陣列，并在單個感受器中實現(xiàn)了顏色視覺、適應性視覺以及圓偏振視覺。
該團隊系統(tǒng)性探索了手性貴金屬納米團簇的視神經(jīng)形態(tài)的潛力，并首次提出了光閥模型(light-valve model)解釋團簇半導體界面在外界光刺激和電刺激下的載流子傳輸和捕獲行為。通過理論計算和飛秒瞬態(tài)吸收，該團隊發(fā)現(xiàn)了團簇有機半導體界面中配體輔助的電荷轉移過程。此外，該團隊還解決了團簇薄膜的晶圓級制造問題，為人工光感受器的高密度集成提供了基礎。與螳螂蝦的視覺系統(tǒng)高度相似，手性團簇視覺感受器表現(xiàn)出優(yōu)異的光子感知和適應能力(圖)，甚至在部分指標上優(yōu)于螳螂蝦。光的明適應可以在0.45秒內觸發(fā)并執(zhí)行，準確率達到99.75%，優(yōu)于人類視覺系統(tǒng)(約1分鐘)和螳螂蝦視覺系統(tǒng)(約數(shù)小時)。人工團簇視覺感受器還表現(xiàn)出光譜依賴性適應和圓偏振視覺，這是首次報道在單一器件中實現(xiàn)對圓偏振光的響應、識別、適應和記憶功能。相關研究成果發(fā)表于Nature Communications期刊上(Nat. Commun.2024, DOI: 10.1038/s41467-024-46646-5)，共同第一作者是化學所博士生文巍，劉國才博士和魏曉芳博士后，通訊作者為王翰林研究員和劉云圻院士。
圖：受螳螂蝦啟發(fā)的人工納米團簇光感受器。(a)螳螂蝦的示意圖及其眼睛的前視圖。(b)螳螂蝦視覺系統(tǒng)由平行排列的小眼、視神經(jīng)和大腦組成。(c)基于并五苯和手性銀納米團簇異質結構對紫外-可見光和圓偏振光(CPL)敏感的人工納米團簇光感受器(ACP)的示意圖。(d)并五苯和手性銀納米團簇對映體的化學結構。(e)人工納米團簇光感受器的類螳螂蝦功能和解剖結構。(f)晶圓級人工納米團簇光感受器陣列的光學圖像。(g)銀納米團簇的光閥模型圖。(h)人工納米團簇光感受器對左手/右手圓偏振光的分辨和存儲
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