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上海技物所突破感存算一體化紅外光電器件，構(gòu)建智能動(dòng)目標(biāo)智能追蹤新范式
2025-06-30 11:54:28中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所閱讀量：9611 我要評(píng)論
中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達(dá)研究員、苗金水研究員團(tuán)隊(duì)、王芳青年研究員等在動(dòng)目標(biāo)智能感知與光電計(jì)算融合研究方面取得重要突破。受自然界生物感知系統(tǒng)啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)圍繞紅外光電存儲(chǔ)與神經(jīng)形態(tài)感知構(gòu)建新型異質(zhì)結(jié)器件體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速、紅外動(dòng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)感知、記憶與識(shí)別，為未來(lái)高能效機(jī)器視覺(jué)與邊緣智能提供了關(guān)鍵支撐。相關(guān)成果近期分別發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《自然·通訊》(Nature Communications)和《光：科學(xué)與應(yīng)用》(Light: Science & Applications)上。 
當(dāng)前，紅外智能感知廣泛應(yīng)用于安全監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警、自動(dòng)駕駛等重要領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)視覺(jué)系統(tǒng)普遍依賴(lài)馮·諾依曼架構(gòu)，在信息傳輸與處理過(guò)程中面臨高延遲、高能耗等挑戰(zhàn)，難以滿(mǎn)足復(fù)雜場(chǎng)景下的實(shí)時(shí)識(shí)別需求。受生物感知機(jī)制啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)提出面向“感知-存儲(chǔ)-計(jì)算”一體化的新型生物啟發(fā)的光電探測(cè)系統(tǒng)，突破傳統(tǒng)器件架構(gòu)壁壘，顯著提升了動(dòng)態(tài)視覺(jué)處理能力。
其中，一項(xiàng)關(guān)鍵研究基于火甲蟲(chóng)對(duì)中紅外火焰信號(hào)的敏銳感知機(jī)制。該昆蟲(chóng)通過(guò)其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(shí)現(xiàn)對(duì)火源位置與運(yùn)動(dòng)方向的精準(zhǔn)定位。受此啟發(fā)，上海技物所團(tuán)隊(duì)聯(lián)合同濟(jì)大學(xué)黃佳、楊潔團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了基于PdSe?/并五苯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的中紅外神經(jīng)形態(tài)晶體管。PdSe?提供中紅外高吸收能力，并五苯則作為有機(jī)半導(dǎo)體材料模擬生物突觸的可塑性行為。該器件不僅實(shí)現(xiàn)了3–4.25 μm中紅外波段內(nèi)興奮性突觸響應(yīng)和成對(duì)脈沖易化(PPF)效應(yīng)，且在0.5 mW/cm²入射強(qiáng)度下即可工作，靈敏度接近火甲蟲(chóng)的生理感知閾值。
基于此器件陣列團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了儲(chǔ)備池計(jì)算(Reservoir Computing)框架，研究人員成功實(shí)現(xiàn)了中紅外動(dòng)態(tài)軌跡的識(shí)別與方向分類(lèi)。在627–927°C火焰模擬場(chǎng)景中，系統(tǒng)準(zhǔn)確率達(dá)到94.79%，展示出優(yōu)異的抗干擾能力和穩(wěn)定性，標(biāo)志著中紅外神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)系統(tǒng)在實(shí)際復(fù)雜場(chǎng)景下的可行性。
另一方面，研究團(tuán)隊(duì)還聚焦于實(shí)現(xiàn)類(lèi)視網(wǎng)膜高速紅外光電存儲(chǔ)與動(dòng)目標(biāo)追蹤的協(xié)同集成。通過(guò)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(critical band-to-band tunneling)效應(yīng)，首次實(shí)現(xiàn)在520–980 nm寬譜范圍內(nèi)可見(jiàn)-近紅外的低能紅外光子隧穿與非易失性存儲(chǔ)。該機(jī)制顯著優(yōu)于傳統(tǒng)photogating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(shí)現(xiàn)了500 ns級(jí)別的光存儲(chǔ)速度。
在模擬動(dòng)目標(biāo)追蹤實(shí)驗(yàn)中，該器件在高速光脈沖激勵(lì)下展現(xiàn)出清晰穩(wěn)定的成像結(jié)果，并通過(guò)光流法進(jìn)行幀間特征點(diǎn)匹配，優(yōu)于低速存儲(chǔ)器件，有效提高了目標(biāo)定位精度。研究表明，該關(guān)鍵隧穿機(jī)制不僅提升了系統(tǒng)的時(shí)間分辨率，還通過(guò)能帶結(jié)構(gòu)匹配壓縮了能耗，為近紅外光電計(jì)算系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了新思路。
兩項(xiàng)研究從仿生啟發(fā)—材料異質(zhì)集成—新型物理機(jī)制—系統(tǒng)級(jí)驗(yàn)證形成完整閉環(huán)，展現(xiàn)了上海技物所在新一代光電計(jì)算范式領(lǐng)域的前瞻布局與原創(chuàng)突破。研究團(tuán)隊(duì)未來(lái)將進(jìn)一步探索多譜段融合、可重構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與片上學(xué)習(xí)機(jī)制，推進(jìn)智能紅外視覺(jué)系統(tǒng)向更高維度的感知與決策演進(jìn)。
上述工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃支持。
圖1 基于PdSe2/pentacene 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的受生物啟發(fā)的中紅外神經(jīng)形態(tài)晶體
圖2 基于BP/InSe 的非平凡帶帶隧穿光電存儲(chǔ)器
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