中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究員胡偉達和苗金水團隊以及青年研究員王芳等，在動目標智能感知與光電計算融合研究方面取得進展。受自然界生物感知系統(tǒng)啟發(fā)，該團隊圍繞紅外光電存儲與神經(jīng)形態(tài)感知構(gòu)建新型異質(zhì)結(jié)器件體系，實現(xiàn)了對高速、紅外動目標的實時感知、記憶與識別，為未來高能效機器視覺與邊緣智能提供了關(guān)鍵支撐。
當(dāng)前，紅外智能感知廣泛應(yīng)用于安全監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)警、自動駕駛等領(lǐng)域。但是，傳統(tǒng)視覺系統(tǒng)普遍依賴馮·諾依曼架構(gòu)，在信息傳輸與處理過程中面臨高延遲、高能耗等挑戰(zhàn)，難以滿足復(fù)雜場景下的實時識別需求。受生物感知機制啟發(fā)，該團隊提出了面向“感知-存儲-計算”一體化的新型生物啟發(fā)的光電探測系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)器件架構(gòu)壁壘，提升了動態(tài)視覺處理能力。
火甲蟲通過胸部特化的坑狀器官感知森林火災(zāi)中微弱的紅外輻射，即使在高速飛行狀態(tài)下仍能實現(xiàn)對火源位置與運動方向的精準定位。受此啟發(fā)，上海技物所團隊聯(lián)合同濟大學(xué)黃佳與楊潔團隊，構(gòu)建了基于PdSe2/并五苯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的中紅外神經(jīng)形態(tài)晶體管。PdSe2提供中紅外高吸收能力，并五苯則作為有機半導(dǎo)體材料模擬生物突觸的可塑性行為。這一器件實現(xiàn)了3至4.25μm中紅外波段內(nèi)興奮性突觸響應(yīng)和成對脈沖易化效應(yīng)，在0.5 mW/cm2入射強度下即可工作，靈敏度接近火甲蟲的生理感知閾值。
基于這一器件陣列，該研究設(shè)計了儲備池計算框架，實現(xiàn)了中紅外動態(tài)軌跡的識別與方向分類。在627至927°C火焰模擬場景中，系統(tǒng)準確率達94.79%，展現(xiàn)出優(yōu)異的抗干擾能力和穩(wěn)定性，標志著中紅外神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)在實際復(fù)雜場景下的可行性。
同時，該研究還聚焦于實現(xiàn)類視網(wǎng)膜高速紅外光電存儲與動目標追蹤的協(xié)同集成。研究通過構(gòu)建BP/InSe二維范德華異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了非平凡帶帶隧穿效應(yīng)，實現(xiàn)了在520至980nm寬譜范圍內(nèi)可見-近紅外的低能紅外光子隧穿與非易失性存儲。這一機制優(yōu)于傳統(tǒng)photogating效應(yīng)或浮柵器件，在不犧牲響應(yīng)速度的前提下，抑制了拖尾與模糊現(xiàn)象，實現(xiàn)了500ns級別的光存儲速度。
在模擬動目標追蹤實驗中，該器件在高速光脈沖激勵下展現(xiàn)出清晰穩(wěn)定的成像結(jié)果，并通過光流法進行幀間特征點匹配，優(yōu)于低速存儲器件，提高了目標定位精度。研究表明，這一關(guān)鍵隧穿機制提升了系統(tǒng)的時間分辨率，并通過能帶結(jié)構(gòu)匹配壓縮了能耗，為近紅外光電計算系統(tǒng)設(shè)計提供了新思路。
上述兩方面成果形成了仿生啟發(fā)-材料異質(zhì)集成-新型物理機制-系統(tǒng)級驗證的閉環(huán)。
近期，相關(guān)研究成果分別發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）和《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃的支持。
論文鏈接：1、2
基于BP/InSe的非平凡帶帶隧穿光電存儲器
本文鏈接：研究構(gòu)建動目標智能追蹤新范式http://www.sq15.cn/show-12-1374-0.html
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