仿生視覺適應領域取得新進展提供人工視覺構建新思路

圖1（a）人體視覺適應的原理示意圖，（b）OAAT的器件結構圖，（c）OAAT的光強依賴適應性曲線

　　在國家自然科學基金項目（批準號：22021002、62075224、62001454）等的資助下，中國科學院化學研究所朱道本研究員和狄重安研究員團隊在仿生視覺適應領域取得進展。研究成果以“光強依賴的主動光適應有機晶體管（An organic transistor with light intensity-dependentactive photoadaptation）”為題，于2021年7月22日以封面文章形式在線發表于《自然?電子學》（Nature Electronics）。

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00615-8#citeas。

　　仿生視覺適應是人工智能系統的核心功能之一。在生物體中，視覺系統會根據環境光的變化調整其響應行為，通過前饋和反饋適應方式實現對弱光的響應增強或對強光的響應抑制。迄今，誤差校正型反饋電路已經在曝光與成像系統中得到廣泛應用。新一代人工視覺系統迫切需要兼具前饋適應功能，即通過信息預處理實現對動態變化刺激的主動適應調節。理想的主動適應模塊應基于單一器件，以保證結構的最簡化和功耗的最低化。

　　上述研究團隊將兩個功能互補的體相異質結引入有機晶體管中，如圖1所示，設計了主動適應有機晶體管（OAAT）。在該器件中，PDPP3T:PCBM作為光響應載流子傳輸層，對外界光強刺激產生瞬時的光電流響應；而P3HT:PCBM作為光調控電荷俘獲層，模擬外界光強刺激下的動態適應行為。結合激子分離、電荷傳輸與電荷俘獲的耦合，OAAT可在不同光照下實現導電溝道內載流子濃度的自適應動態調節，光強響應范圍為1到1×106 cd m-2，涵蓋了自然環境光強度的主要區間。

　　該研究定義了主動適應系數（AAI，光強變化一個量級產生的靈敏度變化率），研究了OAAT的光強依賴適應特性。當光強小于100 cd m-2時，AAI小于1并幾乎保持不變；當光強逐漸增加至105時，AAI逐漸增加至12.4，表明此類器件的適應性增強。該變化趨勢與人體視覺系統中提取的AAI適應規律相吻合。通過系統機制研究建立了器件的AAI-光強-時間的工作模型，為OAAT的理性設計奠定了基礎。此外，柔性器件陣列（3×3）在1×104cd m-2光強下適應時間小于2 s，顯現了比人眼更快的背景適應能力，從而驗證了OAAT具有高級視覺適應功能。這一研究成果為人工視覺系統的構建提供了新思路。