二維材料在人工視覺系統(tǒng)中的創(chuàng)新應(yīng)用

研究背景

人工視覺系統(tǒng)是模擬人類視覺系統(tǒng)功能的重要研究方向，因其在無人駕駛技術(shù)、腦-計(jì)算機(jī)接口和智能機(jī)器人等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而受到關(guān)注。與傳統(tǒng)的光電子材料相比，基于二維材料的硬件具有無懸掛鍵表面、原子級銳利界面、強(qiáng)光-物質(zhì)相互作用和電可調(diào)光響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。然而，這些硬件在模擬視覺通路的神經(jīng)電路方面仍存在不足，限制了其實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜功能的能力，因此帶來了挑戰(zhàn)。

研究內(nèi)容

為了解決這一問題，華中科技大學(xué)葉鐳教授和繆向水教授和國防科技大學(xué)Tian Jiang課題組團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種人類視覺通路復(fù)制硬件，由具有分裂浮柵的二維二硒化鎢（WSe?）單元設(shè)備構(gòu)成的交叉陣列，成功模擬了視網(wǎng)膜和視覺皮層的功能，并復(fù)制了視網(wǎng)膜與視覺皮層之間的連接組學(xué)。

利用這一硬件，團(tuán)隊(duì)顯著提高了多種功能的性能，包括紅綠盲處理、低功耗形狀識別和自驅(qū)動運(yùn)動跟蹤等，成功獲取了前所未有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這一研究為機(jī)器視覺、無人駕駛技術(shù)、腦-計(jì)算機(jī)接口和智能機(jī)器人等領(lǐng)域的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，展示了二維材料在人工視覺系統(tǒng)中的巨大潛力。

圖文解讀

（1）本研究首次提出了一種人類視覺通路復(fù)制硬件，采用具有分裂浮柵的二維二硒化鎢（WSe?）單元設(shè)備的交叉陣列，成功模擬了視網(wǎng)膜和視覺皮層的功能。

（2）實(shí)驗(yàn)通過構(gòu)建該硬件，展示了其在紅綠盲處理、低功耗形狀識別和自驅(qū)動運(yùn)動跟蹤等多功能性方面的優(yōu)勢，驗(yàn)證了其在機(jī)器視覺、無人駕駛技術(shù)和智能機(jī)器人中的潛在應(yīng)用。

（3）硬件設(shè)計(jì)結(jié)合了視網(wǎng)膜與視覺皮層的連接組學(xué)，實(shí)現(xiàn)了更復(fù)雜的視覺處理能力，推動了人工視覺系統(tǒng)向更高層次發(fā)展。總體而言，該研究為利用二維材料提升人工視覺系統(tǒng)的性能提供了新的技術(shù)路徑和理論基礎(chǔ)。

圖1 | 人類視覺通路及人類視覺通路復(fù)制硬件的工作機(jī)制

圖2 |?道爾頓主義的色彩處理

圖3 |?形狀識別

圖4 | 運(yùn)動追蹤

結(jié)論展望

本文的研究揭示了基于二維材料的人工視覺系統(tǒng)在模擬人類視覺功能方面的巨大潛力。通過設(shè)計(jì)一種復(fù)制人類視覺通路的硬件，該系統(tǒng)不僅展現(xiàn)了視網(wǎng)膜和視覺皮層之間的連接，還實(shí)現(xiàn)了紅綠盲處理、低功耗形狀識別和自驅(qū)動運(yùn)動跟蹤等多項(xiàng)高級功能。這一創(chuàng)新性硬件的成功開發(fā)，為實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的視覺功能鋪平了道路，突顯了在腦-計(jì)算機(jī)接口、機(jī)器視覺和智能機(jī)器人等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景。

此外，研究強(qiáng)調(diào)了在視覺系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中考慮神經(jīng)電路的完整性和復(fù)雜性的重要性，指出傳統(tǒng)硬件在此方面的不足。通過整合新的光電子材料與非馮·諾依曼架構(gòu)，本文為未來的人工智能視覺系統(tǒng)提供了新的思路，可能會催生更多具有自適應(yīng)和智能處理能力的視覺設(shè)備。整體而言，該研究不僅為人工視覺系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)支持，同時(shí)也為跨學(xué)科的技術(shù)創(chuàng)新指明了方向。