視覺、聽覺、嗅覺、味覺、觸覺是人類最基本的五種感覺，其中視覺極為關(guān)鍵，畢竟隨著物種進(jìn)化，眼睛作為人類最為精細(xì)、復(fù)雜的器官，感知能力無與倫比。

曾有神經(jīng)科學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)研究表明，80% 以上的外界信息都是通過視覺進(jìn)入了我們的大腦。

技術(shù)代代革新之下，仿人眼的嘗試不斷涌現(xiàn)。

2015 年，美國明尼蘇達(dá)州一位名為 Allen Zderad 的 68 歲男子在失明 10 年之后，憑借一雙 “仿生眼”重見光明。

2020 年 5 月，香港科技大學(xué)范智勇團(tuán)隊(duì)聯(lián)合加州大學(xué)伯克利分校、美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室的一組研究人員，就視網(wǎng)膜問題提出了最新方案，甚至打造出了多項(xiàng)性能超越人眼的仿生眼。

而就在近日，美國公立研究型大學(xué)俄勒岡州立大學(xué)(Oregon State University)在光學(xué)傳感器領(lǐng)域有了重大進(jìn)展，更接近于人眼感知視野變化能力的傳感器終于來了。

俄勒岡州立大學(xué)表示：

• 該傳感器是圖像識(shí)別、機(jī)器人和人工智能等領(lǐng)域的重大突破，突破性的仿人眼光學(xué)傳感器是人工智能發(fā)展的關(guān)鍵一步。

打造新型視網(wǎng)膜傳感器

2020 年 12 月 8 日，相關(guān)研究成果正式發(fā)表于《應(yīng)用物理快報(bào)》，題為 A perovskite retinomorphic sensor(一種鈣鈦礦型視網(wǎng)膜傳感器)，論文作者為俄勒岡州立大學(xué)工程學(xué)院研究員、電氣與計(jì)算機(jī)工程助理教授 John Labram 和研究生 Cinthya Trujillo Herrera。

• 哪怕最先進(jìn)的超級(jí)計(jì)算機(jī)，復(fù)雜程度也無法與人腦相媲美。

最早，基于這一事實(shí)，神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域的研究開始興起，其設(shè)計(jì)目的是在執(zhí)行機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)優(yōu)于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，原理可以簡要概括為一句話：將人腦(的一些方面)復(fù)制到硬件中。

論文介紹，雖然近年來這一領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展，但幾乎所有提供給神經(jīng)形態(tài)處理器的輸入信號(hào)仍然是為傳統(tǒng)的 von Neumann 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的光敏電容器，并描述了它對(duì)光刺激的反應(yīng)。

如下圖 a 所示，該結(jié)構(gòu)基于雙層電介質(zhì)：

• 底部為二氧化硅：二氧化硅高度絕緣，并且對(duì)光基本上沒有反應(yīng)。
• 頂部為鈣鈦礦：即甲基銨碘化鉛(MAPbI3)，這是一種具有大光電導(dǎo)響應(yīng)的化合物，在光照下介電常數(shù)有顯著變化，是電介質(zhì)的理想候選材料，在光照下可以改變電容。

電極方面：

• 底部電極是高摻雜的硅，用作襯底。
• 頂部電極是 15nm 的、通過熱蒸發(fā)沉積的金，被設(shè)計(jì)得足夠薄，即便接觸電阻很大，在導(dǎo)電時(shí)能對(duì)光照半透明。

John Labram 表示：

• 以前嘗試制造仿人眼設(shè)備(視網(wǎng)膜視覺傳感器)都是依靠軟件或較為復(fù)雜的硬件。但我們?cè)O(shè)計(jì)的這種新型傳感器，其操作包括在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，涉及了鈣鈦礦半導(dǎo)體的超薄層。當(dāng)置于光下時(shí)，鈣鈦礦會(huì)從堅(jiān)固的電絕緣體變?yōu)閷?dǎo)體，它具有發(fā)展太陽能的潛力，近年來對(duì)于鈣鈦礦，學(xué)界也有著廣泛的研究。

基于上述結(jié)構(gòu)，當(dāng)與外部電阻器串聯(lián)時(shí)，電阻器兩端的電壓降(又稱電位差)將在電容器充電 / 放電時(shí)暫時(shí)出現(xiàn)尖峰，然后恢復(fù)到其平衡值。也就是說，傳感器會(huì)在照度變化時(shí)出現(xiàn)尖峰，在其他時(shí)候輸出零電壓(如上圖 d 所示)。

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的光敏電容器在設(shè)計(jì)和預(yù)期的用途上，都與別的科學(xué)團(tuán)隊(duì)以前研制的光電電容器不同——光電電容器被設(shè)計(jì)用來儲(chǔ)存來自太陽輻射的能量，而上述傳感器被設(shè)計(jì)用來檢測(cè)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中光學(xué)刺激的變化。

模仿人眼感知更加逼真

那么上述傳感器實(shí)際的仿人眼效果如何呢?

首先，研究人員通過播放視頻作為施加給傳感器的光學(xué)刺激，模擬大型陣列。

結(jié)果表明：

• 對(duì)應(yīng)視頻的靜止部分，傳感器輸出了較暗的視頻;
• 對(duì)應(yīng)視頻的移動(dòng)部分，傳感器則輸出了較亮的視頻。
• 在沒有光照的情況下緩慢移動(dòng)時(shí)，傳感器輸出的較亮區(qū)域存在 “鬼影”效應(yīng)。

可見，傳感器對(duì)于動(dòng)態(tài)圖像有著很明顯的反應(yīng)。

隨后，研究人員向傳感器施加了以特定角度排列的光刺激，作為另一種檢驗(yàn)。

這一實(shí)驗(yàn)受到了 20 世紀(jì) 50、60 年代一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的啟發(fā)——科學(xué)家們注意到貓的某些神經(jīng)元對(duì)以特定角度排列的光刺激有強(qiáng)烈的反應(yīng)。科學(xué)家們認(rèn)為，這是視網(wǎng)膜中一些細(xì)胞的特定排列導(dǎo)致了超極化、去極化，它們對(duì)光學(xué)刺激會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)。

因此，研究人員選擇測(cè)量兩個(gè)值：電容器兩端的電壓降(C 傳感器)和電阻器兩端的電壓降(R 傳感器)。

結(jié)果如上圖所示，這種傳感器的確會(huì)對(duì)某個(gè)方向的刺激做出更強(qiáng)烈的反應(yīng)。

上述兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，這一傳感器的人眼感知模仿能力的確較強(qiáng)。

不僅如此，研究人員還認(rèn)為，由于這是一種傳感器，它不需要任何復(fù)雜的讀出算法或后處理，它可直接輸出電壓，電壓取決于傳感器所瞄準(zhǔn)的物體的方向。

John Labram 表示：

• 新型傳感器將與神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)完美匹配，將為下一代人工智能的應(yīng)用提供動(dòng)力，如自動(dòng)駕駛汽車、機(jī)器人技術(shù)和先進(jìn)的圖像識(shí)別。