重庆研究院在可片上探测和预处理的仿生视听光电探测器研究上取得进展

　　近日，重庆绿色智能技术研究院微纳制造与系统集成研究中心在Science开放获取子刊Science Advances上，以“Bionic visual-audio photodetectors with in-sensor perception and preprocessing(可片上探测和预处理的仿生视听光电探测器)”为题发表研究论文，提出了一种仿生“视听”光电探测器，通过模拟人类感知系统中神经突触间的“兴奋”和“抑制”行为，在传感端集成了“视听”信号探测与预处理功能(图1)。
 

　　图1：模仿人类感知系统的仿生视听光电探测器工作原理示意图。PPC，正光电流；ZPC，无光电流；NPC，负光电流。

 

　　眼睛和耳朵作为主导视觉和听觉的两个重要器官，在人类感知外部信息过程中占据着不可或缺的地位。传统感知技术依赖于独立的光学和声学探测器件，且探测模块获取的数据中充斥着冗余的背景干扰信息，给数据的转化、传输和存储带来了极大的压力，严重制约了感知系统的运行效率。
 

　　从人体感知器官获得灵感，研发新一代神经拟态传感器成为推动系统朝着智能化和集成化发展的关键。在人类视觉和听觉器官中，细胞以及神经元回路不仅具有探测外部激励信号的功能，还能够实现探测信号的预处理，有利于消除背景干扰信息，从而加快大脑的运算速度。然而，鉴于视觉和听觉信号探测机制的本质差异，目前尚难以通过单一器件实现双模态探测，因此，开发能同时探测和预处理“视听”信息的新型神经拟态传感器成为当务之急。
 

　　微纳制造与系统集成研究中心提出了基于石墨烯-锗异质结场效应晶体管结构的仿生“视听”光电探测器，通过光学方法在单个器件上融合了视觉和听觉传感功能，来模仿感觉细胞对视听信号的智能感知。通过编程栅压，利用连续可调的正负光电流动态模拟了神经元通路中的“兴奋”和“抑制”行为，该器件不仅对视觉图像实现了翻转，锐化，边缘提取等预处理操作，而且证明了其具有目标字符图像的分类功能。此外，该器件还能够对所采集的声波信号强度进行调控，根据所记录的声波“形状”，实现了钢琴音调和中英文对话音频的还原。这种具有“视听”信号探测与预处理功能于一体的石墨烯基器件有效简化了硬件结构，为推动小型化、高集成、多功能和智能化传感系统的发展提供了新思路。
 

　　上述工作得到了重庆研究院“十四五”科技创新规划主攻方向之一“碳基光电探测器”的支持，以及科技部国家重点研发计划等项目的资助。重庆研究院博士研究生付津滔为论文的第一作者，魏兴战研究员为通讯作者。