背景介绍

在动态识别任务中，传统的图像传感器通常面临着准确性、功耗和硬件复杂性之间固有的权衡问题。与此相比，生物视觉系统能够出色地捕捉复杂环境中的显著特征，从而以极高的准确度实现高效的动态感知。在自然界中，驯鹿等物种拥有四色视觉系统，这使它们能够在标准红绿蓝波段之外感知紫外光谱。捕捉更丰富的多波段光谱数据为这些动物在避险和觅食行为中提供了巨大的进化优势。受这种生物学范式的启发，开发能够进行多波段图像融合的人工四色视觉系统已成为一个新兴的前沿领域，这对于复杂场景下（如低照度环境或高速物体追踪）的高精度动态识别至关重要。

成果简介

本研究报告了一种基于Ga₂O₃/TiO₂/Ti₃C₂Tₓ异质结的四色神经形态光电传感器。该器件成功实现了对254 nm、405 nm、532 nm和638 nm四个波长的光刺激响应，并能够忠实地模拟关键的突触行为。受驯鹿视觉的启发，基于20 × 20的器件阵列开发了一种双波段（紫外和可见光）混合运动感知系统。利用器件的电导可塑性和同步编码技术，该系统能够有效解码时空信息，从而实时感知并解析移动目标的运动方向和速度。当与卷积神经网络结合使用时，该系统在识别复杂轨迹方面的准确率高达95.7%，显著优于传统图像传感器的架构。这项研究不仅为宽带神经形态光电探测提供了通用的材料平台，也为复杂环境下的高精度机器视觉技术铺平了道路。

图文导读

图1 用于神经形态视觉的Ga₂O₃/TiO₂/Ti₃C₂Tₓ神经形态光电传感器。(a) 驯鹿视觉感知系统示意图。(b, c) Ga₂O₃/TiO₂/Ti₃C₂Tₓ神经形态光电传感器的示意图、光学显微镜图像、截面图和EDS能谱图。(d) Ti₃C₂Tₓ/TiO₂和Ti₃C₂Tₓ薄膜的Ti 2p XPS谱图。(e) Ti₃C₂Tₓ/TiO₂薄膜的O 1s XPS谱图。(f) Ti₃C₂Tₓ/TiO₂和Ti₃C₂Tₓx薄膜的拉曼光谱。(g) Ga₂O₃/TiO₂/Ti₃C₂Tₓ和Ga₂O₃薄膜的吸收光谱。

图2 Ga₂O₃/TiO₂/Ti₃C₂Tₓ异质结光电传感器的光电探测性能与工作机制。(a) Ga₂O₃/TiO₂/Ti₃C₂Tₓ光电传感器示意图。(b) 原始Ga₂O₃器件和优化后（氧化48小时）器件在暗态和254 nm光照下的电流-电压（I-V）特性。(c) Ga₂O₃肖特基传感器和异质结传感器随波长变化的探测率曲线。(d) Ga₂O₃/TiO₂/Ti₃C₂Tₓₓ器件在不同入射光强下的电流-时间响应曲线。(e) Ga₂O₃肖特基传感器和Ga₂O₃/TiO₂/Ti₃C₂Tₓ器件的响应度随入射光强变化的趋势图。(f) 归一化电流-时间曲线，表明Ga₂O₃/TiO₂/Ti₃C₂Tₓ传感器的光响应和衰减时间长于原始Ga₂O₃器件。(g, h) 接触前后 Ga₂O₃、TiO₂和Ti₃C₂Tₓ的能带结构图，说明了器件的光电探测机制。

图3 Ga₂O₃/TiO₂/Ti₃C₂Tₓₓ四色神经形态光电传感器中突触可塑性的多波长调制。(a) 四色光照射调制突触权重的示意图。(b) 器件在四色光照射下的光电流。(c) 20个四色光脉冲激发下的光电流。(d) 器件在四色光照射下的突触PPF行为。(e) PPF指数对时间间隔的依赖关系。(f) 在四色光脉冲下记录的频率依赖的EPSC（兴奋性突触后电流）。(g) 原位KPFM测量Ga₂O₃/TiO₂/Ti₃C₂Tₓₓ薄膜表面电势的示意图。(h) 复合薄膜在四色光照射下的表面电势分布。(i) 复合薄膜在四色光照射下的表面电势差直方图。

图4. 基于四色神经形态光电传感器和传统图像传感器的动作识别。(a) 在四色光照射下对四位光刺激的光响应。(b) 通过处理可见光和紫外光时空帧生成双波长融合图像的流程。(c-f) 用于运动感知的可见光、紫外光和融合图像的输出电流图：(c) 向上加速，(d) 向左减速，(e) 向下减速，(f) 向右加速。

图5. 基于神经网络计算的运动识别。(a) 基于融合图像的运动识别神经网络示意图。(b-Ⅰ) 紫外神经形态光电传感器获取的时空帧图像，(b-Ⅱ) 可见光神经形态光电传感器获取的时空帧图像，(b-Ⅲ) 图像融合传感器获取的融合图像，(b-Ⅳ) 传统图像传感器捕获的火箭单帧图像。(c, d) 神经形态光电传感器的识别准确率随训练周期的演变：(c) 运动方向，(d) 加速度。