仿生设备通过模仿人眼捕捉图像

宾夕法尼亚州立大学的科学家们从大自然中汲取灵感，开发了一种新设备，该设备可通过模仿人眼中的红、绿、蓝光感受器和神经网络来生成图像。

“我们借鉴了大自然的设计——我们的视网膜包含对红光、绿光和蓝光敏感的视锥细胞，以及一个神经网络，它甚至在信息传输到我们的大脑之前就开始处理我们所看到的东西，”助理 Kai Wang 说。宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系研究教授。“这个自然过程创造了我们可以看到的多彩世界。”

为了在人造设备中实现这一目标，科学家们用模仿我们的视锥细胞的窄带钙钛矿光电探测器创建了一个新的传感器阵列，并将其连接到模仿我们的神经网络的神经形态算法，以处理信息并生成高保真图像.

光电探测器将光能转化为电信号，对于相机和许多其他光学技术来说必不可少。科学家们说，窄带光电探测器可以专注于光谱的各个部分，例如构成可见光的红色、绿色和蓝色。

“在这项工作中，我们发现了一种设计钙钛矿材料的新方法，这种材料只对一种波长的光敏感，”Wang 说。“我们创造了三种不同的钙钛矿材料，它们的设计方式只能对红色、绿色或蓝色敏感。”

科学家们说，这项技术可能代表了一种使用现代相机中的滤镜的方法，这种滤镜会降低分辨率并增加成本和制造复杂性。

相机中的硅光电探测器吸收光线但不区分颜色。一个外部过滤器将红色、绿色和蓝色分开，过滤器只允许一种颜色到达光传感器的每个部分，浪费了三分之二的入射光。

“当光线被过滤时，会丢失一些信息，使用我们的设计可以避免这种情况。所以我们提出这项工作可能代表了一种未来的相机传感技术，可以帮助人们获得更高的空间分辨率。”

科学家们说，由于科学家们使用了钙钛矿材料，新设备在吸收光线时会产生能量，这可能会打开无电池相机技术的大门。

“这种装置结构类似于利用光来发电的太阳能电池，”宾夕法尼亚州立大学博士后研究员郑璐瑶说。“一旦你用光照射它，它就会产生电流。所以就像我们的眼睛一样，我们不需要施加能量来从光中捕捉这些信息。”

这项研究还可能引发人工视网膜生物技术的进一步发展。科学家们表示，基于这项技术的设备有朝一日可以替代我们眼中死亡或受损的细胞，从而恢复视力。

科学家们在该杂志上写道，这些发现 发表在《科学进展》杂志上，代表了实现钙钛矿窄带光电探测设备的几项根本性突破——从材料合成到设备设计再到系统创新。

钙钛矿是半导体，当光线照射到这些材料上时，它会产生电子空穴对。向相反方向发送这些电子和空穴就是产生电流的原因。

在这项研究中，科学家们创造了具有严重不平衡电子空穴传输的薄膜钙钛矿，这意味着空穴在材料中的移动速度比电子快。通过操纵不平衡钙钛矿的结构，或者层的堆叠方式，科学家们发现他们可以利用特性而不是将材料变成窄带光电探测器。

他们用这些材料创建了一个传感器阵列，并使用投影仪通过设备投射图像。在红色、绿色和蓝色层中收集的信息被输入到三子层神经形态算法中，用于信号处理和图像重建。神经形态算法是一种旨在模拟人脑运作的计算技术。

“我们尝试了不同的方式来处理数据，”王说。“我们尝试直接合并三个颜色层的信号，但画面不是很清晰。但是当我们进行这种神经形态处理时，图像会更接近原始图像。”

科学家们说，由于该算法模拟了人类视网膜中的神经网络，因此这些发现可以为这些神经网络对我们视觉的重要性提供新的见解。

“通过将我们的设备和这个算法结合在一起，我们可以证明神经网络功能在人眼的视觉处理中非常重要，”Wang 说。

宾夕法尼亚州立大学也为这项研究做出了贡献：电气工程与计算机科学系副教授 Swaroop Ghosh 和博士生 Junde Li;材料科学与工程系助理研究教授董扬、博士后研究员 Jungjin Yoon 和 Tao Ye，以及博士生 Abbey Marie Knoepfel 和 Yuchen Hou。Shashank Priya，前研究副总裁兼战略计划主任和材料科学与工程教授也做出了贡献。

空军科学研究办公室为这项工作提供了资金。该项目的研究人员还得到了美国能源部、国家食品和农业研究所和国家科学基金会的支持。