有机神经形态机器视觉器件及系统

随着有机半导体材料及其器件的快速发展, 有机电子学在可穿戴设备、人工智能等发面取得快速发展. 有机半导体材料具有成本低、生物相容性好、光谱响应可调、柔性度好等优势, 在光电器件等新兴智能感知领域显示出巨大的商业应用潜力, 同时也是制造柔性仿生视觉传感器不可或缺的组成部分. 本文从有机光电材料分类及用于视觉仿生感知的光电器件层面重点介绍了近年来人工神经形态视觉智能传感系统的研究进展, 包括应用较多的视觉触觉多感集成系统. 最后阐述了发展有机仿生视觉系统的重要意义与现存挑战以及展望, 为将来有机视觉感知应用及多感集成提供可行的研究方向.

近年来, 随着大数据、人工智能(AI)、物联网(IoTs)的快速发展, 传感技术在材料、传感机制、功能等方面面临着新的挑战, 以应对日益复杂的传感任务并降低能耗. 受生物感觉系统独特的材料和高适应性的结构启发, 将有机功能材料与先进器件结构相结合, 将产生具有智能感知和处理功能的仿生传感器, 相比于传统的传感系统, 仿生智能感知系统主要由基于场效应晶体管的光电突触器件构成, 利用光电突触动态响应和预处理信息的能力, 可以实现输出信号对连续刺激的动态增加, 模拟了人体生物系统的突触特性, 再通过阵列采用类似于人脑处理视觉信息的算法, 如使用深度学习技术(图1). 受益于模仿大脑的信号处理方式, 该系统可以高速地处理图像信息, 推动智能感知、人工机器视觉、边缘计算等领域进入一个新的发展时代. 由弱范德华力组装而成的共轭有机材料作为仿生传感器关键部分引起了广泛的研究关注. 与无机材料相比, 有机材料具有优异的物理和化学特性, 可以设计和制造具有优越传感性能、生物兼容性和可穿戴性的仿生传感器. 特别是有机材料可以采用低成本制备方法, 如旋转涂布、叶片涂层、卷对卷、喷墨打印等, 可直接在各种柔性的基材上制备, 适合柔性仿生器件的大规模制造. 有机半导体材料在电子学领域的关键优势在于它们可以作为高平衡和高迁移率的双极性活性层材料, 通过分子水平的修饰策略同时传输空穴和电子. 而且有机半导体因其具有低能耗、光电可调性、低弹性模量柔韧性、高生物相容性等优点而受到特别关注. 这些分子体系的最新研究进展为该领域描绘了一个光明的前景.

图1 受人体视觉系统启发的智能视觉感知系统工作原理示意图

在过去的20年中, 有机半导体已被广泛应用于许多高新技术, 如有机发光二极管(OLED)、有机太阳能电池、有机场效应晶体管(OFET)和有机生物传感器等. 由于独特的光电特性, 有机半导体能够在理想条件下模拟自然光感受器功能. 本文重点从当前研究最为广泛的三类有机材料展开讨论: 包括小分子、共轭聚合物(conjugated polymers, CPs)和有机无机杂化钙钛矿. 小分子材料具有结晶度好、易于提纯的优点, 它们的薄膜可通过真空蒸发法和溶液法制备. 利用其光吸收性能和电荷传输特性在有机发光二极管等光电转换器件中实现太阳能的高效转换和利用. 有机半导体基于共轭碳原子, 它们的π电子沿主干离域, 引起与光的强耦合. 由于其光学带隙在可见光范围内, 并且可以通过化学裁剪进行适当的设计, 因此CPs本质上对可见光敏感, 并且选择适当材料组合可以实现三色感应. 特别是, CPs将塑料的杰出机械性能和简单的加工技术与半导体的光电特性相结合, 允许与液体生物环境构成更紧密的界面. 有机-无机杂化钙钛矿材料在发光和光伏应用方面带来巨大进步, 其太阳能电池的效率已经达到25%, 功率转换更是优于传统硅太阳能电池. 且电荷载流子输运、激子动力学和电子-声子耦合等光物理性质的改善大大提高了LEDs和太阳能电池的性能.

在各类感知神经形态系统中, 眼睛是人类感知系统中最重要的感觉器官, 因为80%的外界信息是由眼睛检测到的, 且人类大脑皮层1/3的面积与视觉有关. 人类通过视觉可以感知外界物体的大小、明暗、颜色、运动等, 从而获得对生命有益的各种生存信息. 人眼视网膜中的感光细胞和双极细胞是最重要的细胞. 光感受器细胞能将入射光转换成电信号, 经双极细胞对信号进行预处理后, 图像的详细特征得以保留. 与传统传感器器件中的瞬态光电响应不同, 它可以提供时间耦合光电响应, 帮助视网膜获得更清晰的图像. 值得注意的是, 具有电弛豫行为的有机光电传感器件适用于超越传统计算架构的类脑神经形态器件.

人眼能够有效地捕捉视觉场景, 并将其转化为神经电信号, 再经过视网膜和大脑皮层的进一步处理和识别. 人类视觉系统的结构和功能为人工视觉传感器和神经形态处理装置提供了有吸引力的设计灵感, 这将有利于开发下一代机器视觉系统. 此外, 有机材料具有独特的光电性能、机械柔韧性和生物兼容性, 使其成为新兴视觉传感器的首选. 在人眼视网膜上, 有视锥细胞和视杆细胞两种光感受器决定了人眼对光强和辨色的适应能力. 视锥细胞能被强光激发, 而视杆细胞则对暗光敏感. 它们相互补充, 根据环境的光强产生适当的输出信号电平, 使眼睛能够适应外部照明. 模仿人眼的光适应性需要结合光电效应和有机材料的电荷捕获, 实现依赖于光强的瞬态响应和动态适应. 此外, 人眼的视锥细胞可分为三种类型, 它们含有三种吸收红、绿、蓝光的视觉细胞, 他们可以分别感知不同波长入射光的颜色信息. 具有不同波长选择性的有机材料在活性层中的组合使得生物人工视觉识别颜色成为可能. 另外, 模拟人眼图像预处理的光电突触已被广泛研究. 与生物学类似, 人工光电突触可以响应光刺激, 对成像信息进行实时预处理和短时记忆, 提高后续图像识别任务的效率和准确性. 其中光电突触的图像预处理功能是通过光强依赖和光照时间依赖的可塑性来实现的, 包括图像降噪、对比度增强和锐化.

为了详细阐述有机材料在仿生智能视觉中的应用, 本文从有机材料、光电突触器件和仿生智能感知系统等方面综述了近年来有机光电材料用于智能感知的研究进展, 主要介绍了人工视觉智能传感系统的先进应用, 包括视觉自适应能力、颜色识别、图像预处理、运动检测和类脑计算, 还包括视触觉双模仿生感知器件(本文基本框架如图2所示). 最后, 对有机感知器件的潜在挑战和前景进行了深入探讨, 为未来面向智能应用的先进感知器件提供了充满希望的途径.

图2 综述框架示意图. 包括光电突触器件材料类别、视觉应用、多传感集成三部分