小编按，前段时间，香港科技大学的“人造眼”刷爆科研圈，其实里面内含高科技。是一种半球形的氧化铝上包含了紧密排布的钙钛矿光敏纳米传感器，并使用由液态金属制成的传导线将人工视网膜上的光血信号传导出来。
近日，南京大学物理学院缪峰教授团队和马塞诸塞州大学JianhuaYang教授课题组继年在《NatureElectronics》发表关于高鲁棒性忆阻器后再次合作在范德华垂直异质结可重构视觉网络传感器上取得新的成果，相关研究成果已于近日被国际顶级期刊《ScienceAdvances》接收发表。文章共同第一作者是缪峰教授团队王晨宇博士和梁世军副研究员。”科研成果
人类众多的发明很多想法来源于生物界，例如飞机、超声波和防毒面具等，这些目前也形成一门重要的学科——仿生生物学，而人类自身的构造就可以看作自然界最伟大的发明。其中视觉信息的早期处理发生在人类视网膜中。模仿视网膜的神经生物学结构和功能，为实现具有高效图像处理的视觉传感器提供了一个有希望的途径。传统的视觉芯片将图像感测和处理分开，但这会随着实时处理需求的增加而限制其性能。相比之下，人类视网膜具有层次结构的生物结构，用于具有不同功能的神经元之间的连通性，并且可以同时感测和预处理视觉信息。人类视网膜的主要功能是通过预处理操作来提取输入的视觉信息的关键特征，尽管特定的神经元活动仍然是深入研究的主题。该功能旨在丢弃多余的视觉数据，并实质上加速人脑中的进一步信息处理，例如模式识别和解释。因此，实现视网膜形态视觉芯片代表了一种有前途的解决方案，可以解决传统芯片所面临的挑战并在实际应用中处理大量视觉数据。
到目前为止，各种技术来模拟视网膜的功能已经被提出。光电电阻式随机存取存储器突触设备允许实现图像感测和预处理以及存储器的功能，可以满足对边缘计算的不断增长的需求，非常需要开发重新配置和自学习功能等的更高级的图像传感器。
在这里，南京大学的科研人员演示了一种原型视觉传感器，该传感器通过二维材料范德华垂直异质结构的门可调正负光响应进行操作。该传感器不仅模拟双极细胞和感光器的神经生物学功能，而且还模拟独特的突触，双极细胞和感光细胞之间的连通性。通过调整每个像素的栅极电压，实现了可重新配置的视觉传感器，可同时进行图像传感和处理。此外，可以通过更新分别施加到传感器中每个像素的栅极电压来训练我们的原型视觉传感器本身，以对输入图像进行分类。
图1视网膜和人造视网膜的结构。(a)生物视网膜的轮廓.(b)OFF双极细胞（具有α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸，AMPA）和ON双极细胞（具有代谢型谷氨酸受体6，mGluR6）的生物学工作机制和光响应。双极型细胞的光响应中的黑条表示光照的瞬间。(c)基于范德华异质结构的设备的光学图像。(d)开和关光响应器件的工作机制和光响应分别在零和负栅极电压下的光响应。阴影区域对应于光照持续。(e)OFF-光响应在不同的偏置电压和光强度（由阴影区域表示）下。器件的关断光响应保持在极低的偏置电压（10mV）下，从而可实现低功耗工作.
为了模拟光感受器和双极细胞层的层次结构和生物学功能，南京大学科研人员制造了WSe2/h-BN/Al2O3异质结构器件（图1c）。与硅视网膜的复杂结构相比，垂直集成感光器和双极细胞的范德华器件架构简单而紧凑。垂直异质结构器件可实现光信号和电信号之间的转换，并根据栅极电压表现出正的光响应和负的光响应，类似于光感受器和双极细胞的生物学特性。不施加栅极电压，光照在WSe2通道中产生多余的电子和空穴，以增加电流变化（图1d）。在光刺激下，这种源/漏电流增加（“ON-光响应”）功能类似于光刺激ON双极型细胞的膜电位增加。在施加负栅极电压时，双极性WSe2静电掺杂有空穴，源/漏电流的降低特性（“OFF-光响应”）类似于OFF双极型细胞膜电位的光刺激降低。这样的OFF在具有相似参数的设备中，光响应功能具有很高的再现性。在范德华异质结构器件上进行光照明后，分布在h-BN不同层中的施主状氮空位电子被激发，然后在垂直电场的作用下从背栅电压向上迁移。分布在h-BN上层的带正电荷的氮空位被从h-BN下部迁移的其他光生电子重新结合。带正电荷的空缺位于h-BN和Al2O3界面附近的分子在光照过程中不会重新结合，从而有效地屏蔽了背栅电场并抑制了WSe2通道的传导。可以通过增加光强度来增强这种屏蔽效果，并且设备的光响应能够在整个可见光谱范围内工作。去除光线后，隧穿穿过薄Al2O3层的电子将与那些带正电的缺陷重新结合，并且降低的电流迅速恢复。
图2基于范德华垂直异质结构的视网膜形态视觉传感器，可同时进行图像感测和处理。(a)具有绿色中心和粉红色环绕区域的接收场（RF）。左图：RF的高斯差分模型（DGM）表征了响应度的分布；中央面板：视觉传感器及其输出。中央的OFF光响应设备被ON光响应设备包围。视觉传感器的输出是所有设备的电流总和；右面板：人造RF的输出，其对比度反转边缘从左侧移动到右侧。上方的圆形阵列代表光源。实心圆圈点亮，圆圈熄灭。（b）视觉传感器可同时进行图像感知和处理。(c)字母“N”的边缘增强。左面板：字母“N”的原始8×8二进制图像。中间和右侧面板：仿真和实验结果。
视网膜视觉传感器显示了同时感测和处理的功能（图2b），可以实现近数据处理。这种架构与传统架构的视觉芯片完全不同。传统视觉芯片中图像感测和处理的分离会降低处理效率，因为摄像机感测到的所有冗余视觉数据都必须先转换为数字数据，然后再传输到处理器。相反，视觉使用我们基于范德华异质结构的视网膜形态视觉传感器，可以同时感测和处理信息，而无需模数转换。作为演示，研究人员通过为每个门分配特定值，将高斯差分（DoG）内核（3×3）映射到视觉传感器中，并实现了字母“N”的边缘增强（8×8二进制，左图图2c）。同时记录阵列中Ioutput的变化。重建当前方差的数据会产生实验和模拟字母“N”（图2c的中间和右侧）。实验结果与仿真结果吻合良好。
图3可重构的视网膜形态视觉传感器。(a)演示通过三种不同的操作进行图像处理（即图像样式化，边缘增强和对比度校正）。这些操作是通过独立地改变Vg来控制传感器中每个像素的光响应来实现的。(b)。图像样式化。(c)。边缘增强。d。对比度校正。原始图像对应于要通过不同操作处理的图像。将通过不同卷积运算得到的实验结果与模拟进行比较。
通过调制分别应用于每个范德华异质结构设备的Vg，能够实现可重构的视网膜形态视觉传感器，以同时感测图像并以三种不同方式处理图像，如图3所示。图像风格化是指产生逼真的渲染效果或非真实感的图像。它主要由计算机图形学中的软件实现。通过使用视网膜形态视觉传感器，能够反转南京大学徽标的灰度图像（图3b）。Logo的风格化图像与模拟结果相似。除了图像样式化功能外，还使用视觉传感器演示了广泛用于图像处理的其他重要功能，例如边缘增强和对比度校正，可以很好地重现仿真结果中显示的图像特征。在图3c，我们通过消除徽标图案（黑色）和背景（白色）之间的对比度差异来实现边缘增强。此外，可以通过使用视觉传感器可显示由于曝光不足/曝光过度而导致的边缘隐藏信息（图3d）。徽标中不规则的边缘图案不会降低传感器的检测精度，实验和仿真结果之间的良好一致性证明了这一点。这些发现表明，图像处理中硬件加速领域可能会受益于可重构视觉传感器。
个人简介
“缪峰教授，南京大学物理学院和南京微结构国家实验室教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，国家“高层次人才特殊支持计划”科技创新领军人才入选者，科技部中青年科技创新领军人才入选者，科技部国家重大科学研究计划青年项目首席科学家，国家“海外高层次青年人才计划”入选者，江苏省“十大青年科技之星”（暨江苏省青年科技奖）入选者，科睿唯安(ClarivateAnalytics)全球“高被引科学家”。年本科毕业于南京大学物理系；年获美国加州大学河滨分校物理学博士学位，同年获得最佳博士毕业生奖和国家优秀留学生奖；-年在美国惠普实验室（硅谷总部）任助理研究员；年入选国家青年千人计划后全职回南京大学工作，并先后获得江苏省双创人才、江苏省杰出青年基金、江苏省“六大高峰”人才计划（A层次）等资助。
主要从事二维材料电学性质的基础研究，以及二维材料在信息器件领域的应用研究；具体研究方向包括二维材料的量子电子输运与物性调控，场效应电子器件，光电探测器，存储器与类脑计算器件等。在二维材料电子输运与信息器件领域取得了一系列创新成果，多项工作在国际同行中产生重要影响。
作为第一作者或通讯作者在Science、Nature子刊/Science子刊（8篇）、Phys.Rev.Lett.等国际权威学术期刊上发表论文，共发表SCI论文90余篇，总引用余次；已获授权美国专利9项，中国发明专利4项。目前担任Nature旗下期刊ScientificReports和npj2DMaterialsandApplications的编委，还担任Nature、NatureNanotechnology、NatureMaterials、NatureElectronics、NaturePhysics、NatureCommunications等学术期刊的审稿人。
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