人造視網膜快來了！南京大學團隊取得重要進展，成果接連登上Science子刊、Nature子刊

在人腦處理的信息中，超過80%都是通過眼睛獲得的。人眼不僅可以進行信息的探測和同步處理，而且整體功耗極小（遠小於20瓦）。因此，構建一個可以媲美人眼、具備同步進行信息探測和處理功能的類腦視覺傳感器是人們一直追求的夢想，對於智能工業、自動駕駛、智能安防等應用的發展也至關重要。近日，南京大學物理學院繆峰團隊在類腦視覺傳感器方面取得重要進展，成果以&34;（基於柵極可調範德華異質結的可重構神經網絡視覺傳感器）為題於 2020年6月24日發表在《科學》雜誌子刊Science Advances上。

南京大學物理學院博士生王晨宇和梁世軍副研究員為共同第一作者，繆峰教授和美國麻省大學的楊建華教授為該工作的共同通訊作者，該工作同時得到了王振林教授課題組、陳坤基教授課題組和王肖沐教授課題組的實驗協助，和國家傑出青年科學基金、國家自然科學基金等項目的資助，以及微結構科學與技術協同創新中心的支持。

人類視覺系統強大的信息處理能力很大程度上依賴於視網膜的結構和功能。視網膜中的主要細胞包括感光細胞、雙極細胞等，這些細胞之間是垂直分層分布的結構。光透過瞳孔入射到視網膜上後，感光細胞將入射光轉換為電學信號，流經雙極性細胞，利用雙極性細胞的生物特性對電學信息進行一定的加工和處理，加工後的圖像信息僅僅保留其主要的特徵，再傳輸至大腦皮層進行進一步的圖像處理和理解。通過這種方式，視網膜在一定程度上實現了信息探測和處理的同步進行。為了實現對視網膜結構和功能的逼真模擬，在該工作中，繆峰團隊提出可以通過&34;的方式搭建基於二維材料垂直異質結的類腦視覺傳感器，這些垂直結構不僅能夠自然地模仿視網膜的垂直分層結構，而且異質結中包含的不同二維材料可被用來模擬視網膜中不同細胞的功能。

在實驗中，繆峰團隊首先將機械剝離的薄層硒化鎢和氮化硼以及氧化鋁製備成垂直異質結器件。該異質結器件在無背柵或者正背柵電壓作用下，呈現出正的光電導行為，類似於雙極細胞的正的光響應；當所加背柵電壓為負的時候，器件展現出了負光電響應特徵與雙極細胞的負響應類似。研究團隊通過一系列的對比實驗結果，指出器件的負光學響應來源於光引誘髮帶電雜質產生的電場屏蔽效應。通過控制垂直異質結器件的柵壓，團隊首次實現了對感光細胞和雙極細胞的生物功能的模擬，器件的響應時間和功耗均接近人類視網膜的水平（圖1）。

圖 1. 視網膜和視網膜形態器件。（a）視網膜的垂直分層結構包括了視錐細胞和雙極性細胞以及視神經節細胞； （b）雙極性細胞在不同刺激條件下所具有的生物光學響應特徵；（c）類視網膜形態器件的光學圖；（d）垂直異質結器件在不同柵壓作用下展現出不同的光學響應，類似於視網膜結構中雙極性細胞的生物特徵。

圖 2. 可重構的視網膜形態晶片及其不同的圖像信息處理方式。（a）背柵獨立控制的可重構視覺傳感器陣列示意圖；利用傳感器陣列對南京大學校徽圖片進行（b）圖像風格化（c）邊緣增強（d）強度校正處理，所處理後的圖片信息和採用相同卷積核的模擬結果一致。

進一步，研究團隊將垂直異質結器件組裝成 的一個陣列，利用異質結器件柵壓可調的光電響應特徵，將圖像處理中常用的數學卷積核映射到的器件陣列中，實現了可重構的圖像信息處理功能（圖2），包括邊緣增強、圖像風格化、圖像強度校正等。研究發現這些實驗結果與採用相同卷積核處理後的模擬結果一致，這表明基於垂直異質結陣列能夠被用於在硬體上直接進行圖片信息的處理。

圖 3. 基於範德華異質結視覺形態的傳感器神經網絡及訓練示意圖和識別結果。（a）待識別的圖片字母信息；（b）異質結視覺形態傳感器神經網絡訓練示意圖；（c）N&34; J&34;U&34;,&34;, &34;三類字母的分類情況與訓練次數的關係。

基於範德華異質結器件的功能應用除了同步的探測和信息的處理之外，研究團隊發現器件陣列還可以用於圖片的分類任務。通過將器件電導作為神經網絡的權值，背柵的調節變化作為更新神經網絡權值的一種手段，範德華異質結器件陣列可以執行神經網絡的功能。研究團隊在實驗中採用軟體輔助硬體的訓練方法實現了對輸入圖像&34;,&34;, &34;字母的快速識別（圖3）。這一項工作從原理上證明，利用範德華異質結的特性模擬人類視網膜結構和功能的研究思路有望將來被用來實現新型的類腦視覺晶片。

二維材料有望成為後摩爾時代重要的基礎電子材料，該領域的發展也讓人們可以對原子層材料進行樂高式的堆疊和集成。近年來，繆峰團隊利用&34;分別在耐高溫憶阻器（Nature Electronics 2018）、彈道雪崩探測器件（Nature Nanotechnology 2019）、室溫高靈敏紅外探測器（Science Advances 2017）等方向取得突破，在此基礎上，該團隊提出的利用二維材料範德華異質結器件的結構特點和可調的光響應特性，能夠實現對人眼視網膜的層狀結構和感光細胞、雙極細胞的生物特性模擬，基於這種類視網膜形態器件，團隊進一步構建了能夠對感知的圖片信息進行同步處理的類腦視覺器件陣列。該工作有望為未來開發基於範德華異質結的新型類腦視覺晶片提供物理和技術基礎。

目前，基於人工神經網絡概念的深度學習正在飛速發展，被廣泛地應用在諸如語音識別、圖像識別、自然語言處理等領域。儘管如此，領域內很多資深人士認為，人工智慧發展的終極路線還是需要在硬體上成功實現模擬人腦的&34;。

繆峰團隊除了在類腦視覺傳感器方面取得重要進展外，日前該團隊在可重構類腦電路方面也取得了重要突破。團隊提出，利用二維層狀半導體材料二硒化鎢(WSe2)的雙極性場效應特性和可變的漏端電壓極性，可以設計出電場可調的二維同質結器件，從而在器件層面實現&34;的多種電流開關特性。進一步通過對器件進行集成，團隊分別實現了功能可重構的邏輯和類腦電路，與實現同樣功能的傳統電路相比，該技術所需電晶體數量大大減少，成功實現&34;。相關研究成果以&34;（基於電場可調二維同質結的可重構邏輯和神經形態電路）為題於2020年6月29日發表在《自然》雜誌子刊Nature Electronics（自然-電子學）上。南京大學物理學院博士生潘晨為論文的第一作者，繆峰教授和梁世軍副研究員為該工作的共同通訊作者。

拓展閱讀

繆峰，南京大學物理學院和南京微結構國家實驗室教授、博士生導師。國家傑出青年科學基金獲得者，國家&34;科技創新領軍人才入選者，科技部中青年科技創新領軍人才入選者，科技部國家重大科學研究計劃（青年）項目首席科學家，國家&34;入選者，江蘇省&34;（暨江蘇省青年科技獎）入選者，科睿唯安(Clarivate Analytics)全球&34;。

主要從事二維材料電學性質的基礎研究，以及二維材料在信息器件領域的應用研究。具體研究方向包括二維材料的量子電子輸運與物性調控，場效應電子器件，光電探測器，存儲器與類腦計算器件等。在二維材料電子輸運與信息器件領域取得了一系列創新成果，多項工作在國際同行中產生重要影響。

作為第一作者或通訊作者在Science、Nature/Science子刊（8篇）、Phys. Rev. Lett.等國際權威學術期刊上發表論文，共發表SCI論文90餘篇，總引用17000餘次；已獲授權美國專利9項，中國發明專利4項。

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部分素材來源：南京大學新聞網、南京大學物理學院官網、TOP大學來了