近日，中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院微納制造與系統(tǒng)集成研究中心，在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上發(fā)表了題為《可片上探測(cè)和預(yù)處理的仿生視聽(tīng)光電探測(cè)器》（Bionic visual-audio photodetectors with in-sensor perception and preprocessing）的研究論文。該研究提出了仿生“視聽(tīng)”光電探測(cè)器，通過(guò)模擬人類(lèi)感知系統(tǒng)中神經(jīng)突觸間的“興奮”和“抑制”行為，在傳感端集成了“視聽(tīng)”信號(hào)探測(cè)與預(yù)處理功能。

眼睛和耳朵作為主導(dǎo)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)的兩個(gè)重要器官，在人類(lèi)感知外部信息過(guò)程中起到重要作用。傳統(tǒng)感知技術(shù)依賴(lài)于獨(dú)立的光學(xué)和聲學(xué)探測(cè)器件，且探測(cè)模塊獲取的數(shù)據(jù)中充斥著冗余的背景干擾信息，給數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化、傳輸和存儲(chǔ)帶來(lái)了壓力，制約了感知系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

從人體感知器官獲得靈感，研發(fā)新一代神經(jīng)擬態(tài)傳感器成為推動(dòng)系統(tǒng)朝著智能化和集成化發(fā)展的關(guān)鍵。在人類(lèi)視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)器官中，細(xì)胞以及神經(jīng)元回路不僅具有探測(cè)外部激勵(lì)信號(hào)的功能，而且能夠?qū)崿F(xiàn)探測(cè)信號(hào)的預(yù)處理，利于消除背景干擾信息，從而加快大腦的運(yùn)算速度。目前，鑒于視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)信號(hào)探測(cè)機(jī)制的本質(zhì)差異，難以通過(guò)單一器件實(shí)現(xiàn)雙模態(tài)探測(cè)，因此亟需開(kāi)發(fā)能夠同時(shí)探測(cè)和預(yù)處理“視聽(tīng)”信息的新型神經(jīng)擬態(tài)傳感器。

該研究提出了基于石墨烯-鍺異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)的仿生“視聽(tīng)”光電探測(cè)器，通過(guò)光學(xué)方法在單個(gè)器件上融合了視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)傳感功能，來(lái)模仿感覺(jué)細(xì)胞對(duì)視聽(tīng)信號(hào)的智能感知。通過(guò)編程?hào)艍?，利用連續(xù)可調(diào)的正負(fù)光電流動(dòng)態(tài)模擬神經(jīng)元通路中的“興奮”和“抑制”行為，該器件對(duì)視覺(jué)圖像實(shí)現(xiàn)了翻轉(zhuǎn)、銳化、邊緣提取等預(yù)處理操作，并證明了其具有目標(biāo)字符圖像的分類(lèi)功能。此外，該器件能夠?qū)λ杉穆暡ㄐ盘?hào)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)控，根據(jù)所記錄的聲波“形狀”，實(shí)現(xiàn)鋼琴音調(diào)和中英文對(duì)話(huà)音頻的還原。這種具有“視聽(tīng)”信號(hào)探測(cè)與預(yù)處理功能于一體的石墨烯基器件有效簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)，為推動(dòng)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。

研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。

模仿人類(lèi)感知系統(tǒng)的仿生視聽(tīng)光電探測(cè)器工作原理示意圖。PPC，正光電流；ZPC，無(wú)光電流；NPC，負(fù)光電流。