近日，重慶綠色智能技術研究院微納制造與系統集成研究中心在Science開放獲取子刊Science Advances上，以“Bionic visual-audio photodetectors with in-sensor perception and preprocessing(可片上探測和預處理的仿生視聽光電探測器)”為題發表研究論文，提出了一種仿生“視聽”光電探測器，通過模擬人類感知系統中神經突觸間的“興奮”和“抑制”行為，在傳感端集成了“視聽”信號探測與預處理功能(圖1)。
 

　　圖1：模仿人類感知系統的仿生視聽光電探測器工作原理示意圖。PPC，正光電流；ZPC，無光電流；NPC，負光電流。

 

　　眼睛和耳朵作為主導視覺和聽覺的兩個重要器官，在人類感知外部信息過程中占據著不可或缺的地位。傳統感知技術依賴于獨立的光學和聲學探測器件，且探測模塊獲取的數據中充斥著冗余的背景干擾信息，給數據的轉化、傳輸和存儲帶來了極大的壓力，嚴重制約了感知系統的運行效率。
 

　　從人體感知器官獲得靈感，研發新一代神經擬態傳感器成為推動系統朝著智能化和集成化發展的關鍵。在人類視覺和聽覺器官中，細胞以及神經元回路不僅具有探測外部激勵信號的功能，還能夠實現探測信號的預處理，有利于消除背景干擾信息，從而加快大腦的運算速度。然而，鑒于視覺和聽覺信號探測機制的本質差異，目前尚難以通過單一器件實現雙模態探測，因此，開發能同時探測和預處理“視聽”信息的新型神經擬態傳感器成為當務之急。
 

　　微納制造與系統集成研究中心提出了基于石墨烯-鍺異質結場效應晶體管結構的仿生“視聽”光電探測器，通過光學方法在單個器件上融合了視覺和聽覺傳感功能，來模仿感覺細胞對視聽信號的智能感知。通過編程柵壓，利用連續可調的正負光電流動態模擬了神經元通路中的“興奮”和“抑制”行為，該器件不僅對視覺圖像實現了翻轉，銳化，邊緣提取等預處理操作，而且證明了其具有目標字符圖像的分類功能。此外，該器件還能夠對所采集的聲波信號強度進行調控，根據所記錄的聲波“形狀”，實現了鋼琴音調和中英文對話音頻的還原。這種具有“視聽”信號探測與預處理功能于一體的石墨烯基器件有效簡化了硬件結構，為推動小型化、高集成、多功能和智能化傳感系統的發展提供了新思路。
 

　　上述工作得到了重慶研究院“十四五”科技創新規劃主攻方向之一“碳基光電探測器”的支持，以及科技部國家重點研發計劃等項目的資助。重慶研究院博士研究生付津滔為論文的第一作者，魏興戰研究員為通訊作者。