近日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)王琮教授/光云大學(xué)梁峻閣副教授/山東大學(xué)李陽(yáng)教授在Advanced Functional Materials上發(fā)表了題為「Metal Oxide‐Based Neuromorphic Artificial Visual Perception Devices and Systems for Information Perception, Memory and Processing」的綜述文章。視覺被認(rèn)為是人類感知環(huán)境的關(guān)鍵來(lái)源，人類80%的信息都來(lái)自視覺。研發(fā)接近甚至超越人類視覺能力的傳感器，一直是研究人員的不懈追求，這對(duì)推進(jìn)自動(dòng)駕駛、智能安防等領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。近年來(lái)，基于金屬氧化物的神經(jīng)形態(tài)器件憑借其在傳感、存儲(chǔ)和邏輯計(jì)算方面的優(yōu)勢(shì)，成為仿生視覺感知領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本文綜述了人類視覺、傳統(tǒng)圖像系統(tǒng)和神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)的獨(dú)特特征，系統(tǒng)探討了基于金屬氧化物的神經(jīng)形態(tài)器件的分類、材料特性、潛在機(jī)制以及提高穩(wěn)定性的策略，最后介紹了神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)在圖像記憶與增強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)軌跡、深度感知、視覺障礙及恢復(fù)等方面的應(yīng)用，并對(duì)神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)的未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。本綜述旨在為神經(jīng)形態(tài)器件在仿生視覺感知、類人機(jī)器人和自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展提供重要的參考和指導(dǎo)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊帆博士為第一作者，哈爾濱工業(yè)大學(xué)王琮教授、光云大學(xué)梁峻閣副教授、山東大學(xué)李陽(yáng)教授為共同通訊作者。

傳統(tǒng)視覺傳感器在工作過(guò)程中依賴大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換，效率低下且功耗較高，無(wú)法充分模擬人類視覺系統(tǒng)的高級(jí)功能。因此，迫切需要一類新型器件來(lái)模擬人類的視覺感知。近年來(lái)，金屬氧化物神經(jīng)形態(tài)器件在仿生視覺傳感領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，這類器件能夠感知外部信息、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并進(jìn)行邏輯運(yùn)算，且易于制造，與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝兼容性高。通過(guò)金屬氧化物神經(jīng)形態(tài)器件推動(dòng)仿生視覺系統(tǒng)的發(fā)展，需要光學(xué)、微電子學(xué)、材料科學(xué)、化學(xué)、人工智能和神經(jīng)科學(xué)等多個(gè)學(xué)科的協(xié)同努力。盡管這些研究意義重大，但現(xiàn)有綜述對(duì)光電子神經(jīng)形態(tài)器件從設(shè)計(jì)原理到應(yīng)用場(chǎng)景的基礎(chǔ)層面闡述不足。這種全面認(rèn)知的缺失制約了神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)的發(fā)展。

圖1 |人類視覺感知過(guò)程與基于金屬氧化物的神經(jīng)形態(tài)人工視覺感知器件。

圖2 |神經(jīng)形態(tài)視覺器件及系統(tǒng)的發(fā)展路線與展望。

總結(jié)與展望

神經(jīng)形態(tài)人工視覺感知器件是一種新興技術(shù)，它能夠通過(guò)電、光及光電混合刺激引發(fā)的興奮/抑制電流變化來(lái)切換器件的電阻狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)外部信息的感知、存儲(chǔ)與處理。這類器件被視為實(shí)現(xiàn)人工視覺感知的一種極具前景的方法。神經(jīng)形態(tài)視覺感知技術(shù)的發(fā)展歷程可分為以下幾個(gè)階段：1962年，?？四氐热耸状螆?bào)道了氧化物基半導(dǎo)體薄膜中的電阻開關(guān)行為；1971年，蔡少棠教授從理論上預(yù)測(cè)了神經(jīng)形態(tài)器件的存在，并從數(shù)學(xué)模型角度進(jìn)行了論證；2008年，惠普公司在《自然》雜志發(fā)表論文，宣布研制出世界上首個(gè)神經(jīng)形態(tài)器件，證實(shí)了其物理存在。此后，基于神經(jīng)形態(tài)器件的視覺感知技術(shù)迅速發(fā)展，研究人員逐步實(shí)現(xiàn)了對(duì)人類視覺系統(tǒng)中記憶、圖像去噪、疼痛模擬、邏輯運(yùn)算、深度感知等功能的模擬。隨著神經(jīng)形態(tài)視覺感知技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)見，人類最終將能夠打造出復(fù)雜的視覺感知系統(tǒng)，其能夠完全模擬甚至超越人類的視覺感知能力。

盡管基于金屬氧化物的神經(jīng)形態(tài)器件在仿生視覺感知和人工智能領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用并取得了諸多進(jìn)展，但在單個(gè)器件設(shè)計(jì)、大規(guī)模陣列集成和系統(tǒng)應(yīng)用方面仍面臨若干挑戰(zhàn)。

i. 器件層面：首先，通過(guò)界面工程優(yōu)化和精確摻雜來(lái)提高器件的循環(huán)穩(wěn)定性、耐久性和環(huán)境適應(yīng)性，以滿足工業(yè)級(jí)應(yīng)用長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的要求；其次，突破制造瓶頸，通過(guò)工藝改進(jìn)、采用低成本材料和集成化生產(chǎn)等方式，推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室研究向?qū)嶋H應(yīng)用轉(zhuǎn)化，為仿生視覺等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用提供支撐。同時(shí)，需解決單個(gè)器件的穩(wěn)定性和重復(fù)性問(wèn)題，規(guī)范工藝以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)；通過(guò)基于新機(jī)制的設(shè)計(jì)降低功耗，為大規(guī)模集成鋪平道路；拓展光譜響應(yīng)范圍，使其超越人眼可見光范圍，實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)感知。

ii. 陣列層面：目前，神經(jīng)形態(tài)人工視覺感知器件及系統(tǒng)的像素?cái)?shù)量?jī)H為數(shù)千，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)CCD和CMOS系統(tǒng)的百萬(wàn)像素級(jí)別。這一限制阻礙了對(duì)復(fù)雜物體細(xì)節(jié)的捕捉能力，從而使得器件的優(yōu)勢(shì)僅能在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的演示中得以展現(xiàn)。因此，迫切需要開發(fā)大規(guī)模神經(jīng)形態(tài)陣列的制造方法，進(jìn)一步縮小器件尺寸、提高集成密度，推動(dòng)這些器件從實(shí)驗(yàn)室原型走向?qū)嶋H應(yīng)用。

iii. 片上訓(xùn)練：當(dāng)前，許多神經(jīng)形態(tài)人工視覺感知系統(tǒng)依賴于將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行邊緣提取和識(shí)別，這導(dǎo)致效率低下且工作流程繁瑣。未來(lái)的發(fā)展應(yīng)優(yōu)先開發(fā)芯片陣列的外圍電路，實(shí)現(xiàn)直接的片上邏輯運(yùn)算和視覺算法訓(xùn)練。這種方法將減少對(duì)傳輸數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬訓(xùn)練的依賴，與芯片技術(shù)和人工智能融合的大趨勢(shì)相契合。實(shí)現(xiàn)直接的片上視覺感知、訓(xùn)練和識(shí)別至關(guān)重要。

iv. 標(biāo)準(zhǔn)與應(yīng)用：神經(jīng)形態(tài)視覺感知器件及系統(tǒng)在圖像采集、處理速度和識(shí)別精度方面缺乏標(biāo)準(zhǔn)化參考，這阻礙了其發(fā)展。建立一套統(tǒng)一的神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)成像標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于指導(dǎo)未來(lái)的發(fā)展至關(guān)重要。此外，提高環(huán)境適應(yīng)性，以在不同光照條件下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)成像，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言也極為關(guān)鍵。

開發(fā)性能接近甚至超越人類視覺能力的高性能神經(jīng)形態(tài)器件和人工視覺感知系統(tǒng)，需要神經(jīng)科學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)、微電子加工及人工智能等多學(xué)科的協(xié)同合作。這類技術(shù)進(jìn)步在自動(dòng)駕駛、智能安防、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)邊緣終端和醫(yī)學(xué)影像診斷等領(lǐng)域具有巨大潛力。本綜述將為基于金屬氧化物神經(jīng)形態(tài)器件的人工視覺感知系統(tǒng)的理論研究、性能提升和大規(guī)模應(yīng)用提供有價(jià)值的指導(dǎo)。