新型仿生传感器应用实例，仿生传感技术
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|近日，东北师范大学徐海洋教授团队研发出仿生自适应光传感器。在自供电模式下，它可以感知和处理从紫外到近红外的宽范围入射光，并且可以正确模拟人眼的视觉适应行为。这一成果不仅丰富了目前神经形态器件的类型，而且推动了视网膜仿生器件的发展，成为仿生视觉系统传感端的重要集成组件，从而拓展了仿生视觉领域，预计这将推动视网膜仿生器件的发展。鼓励进一步发展。该传感器基于二维-InSe半导体材料，可以看出其采用了“非中心对称”和“非对称接触”的设计理念。该机制是光热释电和光热释电效应的结合。其运行机构是基于“光、热、电”的作用。这样可以解析光强度和波长，从而产生自适应光响应。目前，在自动驾驶模式下，它已经能够模拟人眼的一些自适应功能。换句话说，这种传感器可以在智能监控、自动驾驶、机器人视觉等各种照明条件下按需制造和应用。
（来源：Light: 科学应用）
很多传感器已经存在，那么为什么我们需要开发这种类型的传感器呢？传感器并不新鲜。那么，我们为什么要开发这种传感器呢？
论文合著者李元正副教授表示，在与周围环境交互时，人类视觉识别能力可以收集周围环境80%以上的信息。
照片| Yuan-jeong Lee（来源：Yuan-jeong Lee）
视觉识别系统是人类和其他脊椎动物最重要的感知系统。人眼作为视觉识别系统的重要组成部分，可以感知颜色、亮度等视觉信息。此外，人眼可以通过自动调节瞳孔大小来适应不同的光强度。例如，人类依靠这种视觉适应能力，能够在明亮和黑暗的环境中看到清晰的图像。目前，各种模仿生物系统的传感器层出不穷。其中，仿生视觉传感器已成为人工智能领域的研究热点之一。在人类视觉系统中，一个关键功能是视觉适应。视觉适应是面对刺激时的自主反应。这使得感知系统能够调整其行为以适应不同的光环境。对于人工仿生视觉传感器来说，它们往往可以根据不同光照条件下的不同刺激进行自主调整，从而捕获相关图像并完成视觉检查和视觉识别等任务。目前，许多仿生视觉传感器可以动态适应外部光刺激。这意味着它有潜力模拟人类视觉适应能力。然而，现有的模拟人类视觉适应能力的能力往往受到复杂的软硬件系统的阻碍，导致运行效率不足。同时，现有传感器的主要工作机制仍局限于载流子捕获或离子转移控制，无法满足视觉自适应器件的应用需求，无法顺应人工视觉系统的发展趋势。因此，迫切需要探索新的传感器机制，使仿生视觉传感器能够通过简单的设备配置更好地工作。换句话说，未来的传感器不仅要具备传统光学传感器的高灵敏度响应性能，还必须保证对特殊环境下识别的图像进行预处理的能力。集成电路无法实现的消耗特性。研究团队基于这些考虑开发了这款传感器。
适应性从何而来？那么这个传感器到底是如何实现自适应的呢？据Yuanjeong Lee副教授介绍，研究团队利用非中心对称-InSe的热释电特性，在光线照射到它时进行聚焦，据说这会产生一种电效应。效应和响应电流尖峰。然后，通过电极材料之间的不对称接触区域，在建立热平衡之前，借助光热效应可以获得光响应电流的进一步自发弛豫。众所周知，人眼具有对持续明亮的光环境进行视觉适应的能力。该光学传感器还具有模仿上述功能的潜力。非中心对称-InSe材料是实现这一能力的“法宝”。该材料具有非中心对称晶体结构和优异的光电性能，从而产生良好的热释电瞬态响应峰。该研究对机械剥离的-InSe样品进行了一系列表征，并证实该样品是非中心对称的相。通过测量材料响应1064 nm激发光产生的二次谐波信号，-InSe材料再次被证明具有非中心对称结构特性。同时，-InSe表面与两端接触电极之间的不对称接触在中心点与两端之间产生温差。温差产生不可逆的温差热电势，促进净电子传输并形成热电流。一旦建立热平衡，热电流逐渐减小，从而实现电流的自发弛豫。基于上述机制，该传感器可以在零偏置下完成其操作，并且可以区分光强依赖性和宽带波长，这表明它具有与人眼相同的光适应行为特征。为了验证二维-InSe基自适应传感器的工作机理，研究团队采用受控变量方法进行了对比实验，研究了材料上下界面可能发生的载流子俘获对传感器的影响。传感器. 消除.这证明了传感器的自适应行为来自于传感器本身而不是来自外界。因此，研究团队重点关注传感器在连续光照下的动态响应过程，提出了以光热电、光热电和光伏效应为主的光热电转换机制。通过改变温度、偏置电压和激光照射面积，我们在多个波长下实验验证了上述预测，最终发现这个预测完全正确，得到了证实。
（来源：Light: 科学应用）
即使在天黑后也能恢复99.6%的灵敏度如前所述，这种基于二维-InSe的自适应仿生光传感器可以适应不同的光强度和波长，类似于人眼。为了更好地了解这一特性，研究小组进行了一系列实验。首先，我们模拟了“闪烁的灯光标志”情况。我们发现，随着光线强度的增加，传感器逐渐适应并能够在10次闪烁内识别出“NENU”灯牌的内容。这类似于人眼适应明亮的环境并能清晰地看到事物。接下来，他们模拟了人眼在经历两次相同的光刺激之间的黑暗时期后恢复视觉敏感度的能力。我们发现，从1秒间隔变为60秒间隔时，传感器的灵敏度逐渐恢复，最终恢复到99.6%的灵敏度。这类似于人的眼睛适应黑暗一段时间，然后当再次看到光明时逐渐恢复视力。此外，我们发现传感器在适应过程中不能独立运行。正如我们的眼睑和瞳孔调节进入眼睛的光量一样，我们也可以通过调节进入眼睛的光量来帮助适应过程。当进入传感器的光通量得到有效控制，使光热效应的温度变化缓慢时，适应过程就会加速，适应过程中出现的“眩光”效应就会减少。此外，研究人员发现该传感器还具有取决于宽带光强度的自适应响应特性。也就是说，它不仅可以适应不同的光强度，还可以适应不同的光波长。接下来我们测试了该设备在红、绿、蓝光波段的图像识别效果。结果表明，通过根据设备的响应电流值定义各波段的灰度值范围，传感器可以在2秒内完成感知适应，从而获得清晰的图像信息。这与人眼对不同颜色光的适应能力完全相同。通过这些实验，他们发现基于-InSe的二维自适应光学传感器非常强大。综上所述，该传感器不仅可以区分光强度和波长以产生自适应光响应，还可以模拟人眼的多种视觉适应功能。它可以模拟不同光照条件和波长下的人眼功能。因此，研究团队认为该传感器可能成为人工视觉系统的重要组成部分。
（来源：Light: 科学应用）
最后，相关论文发表在Light: Science Applications（IF 19.4）上，论文题目为《基于多层 -InSe 薄片的具有仿生视觉自适应功能的自供电宽带光传感器》（Self-driven and Broadband Optical Sensor with Bionic Visual Adapting Capability Based on多层-InSe Flakes）。东北师范大学李远征副教授和徐海洋教授为共同通讯作者[1]。
图| 相关论文（来源：Light: Science Applications）
未来，他们计划开发更智能、集成度更高的仿生视觉传感器，这些传感器可以配备人眼所没有的功能，例如偏振灵敏度以及紫外和红外光灵敏度。我们目前正在开展相关研究，并计划未来发表新论文。参考文献： [1] Liu, W. Yang, X. Wang, Z. et al. Self-powered and Wideband Optical Sensor with Bionic Visual Adaptive Function Based on多层-InSe Flakes. Light Sci Appl 12 , 180 (2023 ).https://doi.org/10.1038/s41377-023-01223-1