从视网膜获得灵感 研究人员开发出自适应视觉感知传感器

据外媒报道，近日，香港理工大学（Hong Kong Polytechnic University）、北京大学、韩国延世大学（Yonsei University）和复旦大学（Fudan University）的研究人员开发出一种全新传感器，通过采用一种人工复制人眼视网膜功能的机制，可以在各种光照条件下收集数据。该仿生传感器由二硫化钼制成的光电晶体管制造，且其相关论文已发表于期刊《Nature Electronics》。

图片来源：期刊Nature Electronics

自然光的强度变化很大，总范围为280 dB。人类视网膜在感知外界光信号时，会根据信号强度调整其感光器（即视杆细胞和视锥细胞）的感光度。因此人眼能够逐渐适应不同程度的照明，从而在黑暗和明亮的环境中都能看清，这种能力被称为“视觉适应”。

研究人员之一Yang Chai表示：“例如，当你从一个明亮的大厅进入一个黑暗的电影院时，最初你几乎看不到任何东西，但在电影院里呆了一会儿，就变得更容易看到了，这种现象被称为暗视适应。相反，如果你在晴天从黑暗的电影院出来，一开始会觉得很眼花缭乱，需要一段时间才能看到周围的景色。这个过程与暗适应相反，被称为明视适应。”

Chai及其同事的主要目标是构建一种受人类视网膜结构和功能启发的传感设备。 为此，他们首先开始研究视网膜，然后尝试制定策略，能够人为复制其视觉适应能力。

基于硅互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的最先进的图像传感器通常具有70 dB的有限动态范围。这个范围比自然场景的照明范围（280 dB）要窄得多。

“为了在大照明强度范围内实现视觉，研究人员探索了在后处理中使用受控光学孔径、液体透镜、可调节曝光时间和去噪算法，”Chai说。“然而，这些方法通常需要复杂的硬件和软件资源。”

能够适应视觉并在感官终端具有广泛感知范围的光电设备或可拥有有价值的应用。例如，它们可以帮助提高计算机视觉工具的性能，降低构建机器人或其他传感系统所需的硬件复杂性，并提高图像识别系统的准确性。

过去，其他研究团队推出了可以适应不同光照条件的光电器件。尽管如此，大多数先前提出的设备只能复制视网膜的明视适应机制。另一方面，暗适应过程迄今已被证明更难模拟。

“要完全复制视网膜的视觉适应功能，还有很长的路要走，”Chai解释说。“为了实现这一目标，我们设计了一种使用超薄半导体的光电晶体管型视觉传感器，它可以通过施加不同的栅极电压来控制同一设备中的暗适应和明适应程度。通过这种方式，我们模拟了视网膜中的光感受器和水平细胞，并成功实现了具有199 dB感知范围的仿生传感器内视觉适应装置。”

Chai及其同事开发的仿生视觉传感器基于由超薄半导体材料（即二硫化钼）制成的光电晶体管打造。这些光电晶体管具有多种电荷陷阱状态，可在不同的栅极电压下捕获或释放沟道内的电子。

最终，这些状态允许研究人员动态调节其设备的电导。反过来，这些状态还能够人为地复制人类视网膜的暗视和明视适应机制，从而扩大其传感器，以响应不同照明条件的感知范围。

“我们的传感器具有多个优点和特点，”Chai说。“首先，视觉适应功能在单个设备中实现，大大减少了占用空间。其次，它可以在单个设备上实现多种功能，包括光感应、记忆和处理。最后，它可以用于执行暗视和只需控制其栅极电压即可适应不同的背景光强度。”

Chai及其同事在一系列测试中评估该仿生传感器，发现该传感器不仅可以有效模拟人类视网膜的功能，在暗适应和明适应方面都取得显著成果，且与之前的解决方案相比，具有明显更高的感知范围（即199 dB）。

Chai表示：“我们的传感器可以丰富机器视觉功能、降低硬件复杂度，并实现高图像识别效率，因此或可应用于具有复杂照明环境的自动驾驶、人脸识别和工业制造等领域。”