中國科學院上海技術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啟發,該團隊圍繞紅外光電存儲與神經形態感知構建新型異質結器件體系,實現了對高速、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鍵支撐。

當前,紅外智能感知廣泛應用于安全監測、災害預警、自動駕駛等領域。但是,傳統視覺系統普遍依賴馮·諾依曼架構,在信息傳輸與處理過程中面臨高延遲、高能耗等挑戰,難以滿足復雜場景下的實時識別需求。受生物感知機制啟發,該團隊提出了面向“感知-存儲-計算”一體化的新型生物啟發的光電探測系統,突破了傳統器件架構壁壘,提升了動態視覺處理能力。

火甲蟲通過胸部特化的坑狀器官感知森林火災中微弱的紅外輻射,即使在高速飛行狀態下仍能實現對火源位置與運動方向的精準定位。受此啟發,上海技物所團隊聯合同濟大學黃佳與楊潔團隊,構建了基于PdSe₂/并五苯異質結構的中紅外神經形態晶體管。PdSe₂提供中紅外高吸收能力,并五苯則作為有機半導體材料模擬生物突觸的可塑性行為。這一器件實現了3至4.25μm中紅外波段內興奮性突觸響應和成對脈沖易化效應,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,該研究設計了儲備池計算框架,實現了中紅外動態軌跡的識別與方向分類。在627至927°C火焰模擬場景中,系統準確率達94.79%,展現出優異的抗干擾能力和穩定性,標志著中紅外神經形態視覺系統在實際復雜場景下的可行性。

同時,該研究還聚焦于實現類視網膜高速紅外光電存儲與動目標追蹤的協同集成。研究通過構建BP/InSe二維范德華異質結結構,發現了非平凡帶帶隧穿效應,實現了在520至980nm寬譜范圍內可見-近紅外的低能紅外光子隧穿與非易失性存儲。這一機制優于傳統photogating效應或浮柵器件,在不犧牲響應速度的前提下,抑制了拖尾與模糊現象,實現了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出清晰穩定的成像結果,并通過光流法進行幀間特征點匹配,優于低速存儲器件,提高了目標定位精度。研究表明,這一關鍵隧穿機制提升了系統的時間分辨率,并通過能帶結構匹配壓縮了能耗,為近紅外光電計算系統設計提供了新思路。

上述兩方面成果形成了仿生啟發-材料異質集成-新型物理機制-系統級驗證的閉環。

近期,相關研究成果分別發表在《自然-通訊》(Nature Communications)和《光:科學與應用》(Light: Science & Applications)上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院穩定支持基礎研究領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