一种受人脑启发并部分使用蜂蜜制造的新型节能人工视觉系统,有助于减轻电子垃圾带来的影响。格拉斯哥大学(University of Glasgow)的工程师与圣保罗州立大学(UNESP)以及香港大都会大学(Hong Kong Metropolitan University)的研究人员通力合作,开发出了此系统。该系统运用有机、可生物降解和可回收的部件来实现“看到”与“记住”颜色的功能,且在运行过程中能耗极低。
该团队所研发的系统被命名为电解质栅有机场效应晶体管(EGOFET),于一个能够模拟人类视觉系统的单元中融合了感知光、处理信息和存储这三项功能。它具有非易失性,故而在关闭状态下仍能留存信息。
新兴的光电器件能够检测光,并以类似于人眼的方式将其转化为电信号,其中包含两个终端忆阻器和三个终端晶体管。它们通过诸如 2D MoS2、硅纳米晶体、石墨烯、金属氧化物、碳纳米管或嵌入 GaAs/AlGaAs 异质结中的 InAs 量子点等材料展现出突触能力。然而,这些器件均采用复杂的制造方法,且相较生物突触消耗更多能量。
与此相反,据研究人员所述,EGOFET 具备简易的制造工艺,并且所使用的材料对环境和/或人体无害。在《高级功能材料》(Advanced Functional Materials)上发表的一篇论文中,该团队阐述了他们如何利用金电极、一层有机光敏苝和一层蜂蜜在玻璃基底上构建其原型 EGOFET,并将其作为电解质,这似乎是突触光电晶体管(SPT)中的首例。与传统电解质相比,使用蜂蜜作为电解质提供了更为简便的加工路径,传统电解质通常需要在受控的洁净室环境中历经多个制备步骤。
格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院的 Theodoros Serghiou 主导了 EGOFET 的开发工作。他表示:“在传统计算中,鉴于处理单元和存储单元之间存在物理分隔,在基于 CMOS 的系统中必须提取和传输数据,因而存在固有的延迟。然而,我们全新的基于记忆的设备在记忆中同步执行这些功能,类似于人类大脑中的突触运作方式,有助于突破传统系统的瓶颈。”
“我们设备的超低功耗和可持续材料能够在未来数年为生态友好型、可拓展的人工视觉系统开辟道路。”该系统充当光电探测器,产生因应不同波长和光强而变化的电流“尖峰”,允许对存储状态进行编程,即便在系统关闭时,系统也能够铭记这些存储状态。EGOFET 达成了迄今为止所测量到的部分最高性能,每个峰值时刻仅需 2.4 微微焦耳的能量,使其成为同类设备中最为节能的设备之一。传统的 CMOS 成像系统鉴于其时钟驱动响应,通常所需功率高达数百万倍。詹姆斯·瓦特工程学院的杰夫·凯特尔教授为论文的通讯作者。他讲道:“我们的设备能够高度保真地模拟关键的突触行为,诸如短期和长期可塑性、尖峰时间依赖性可塑性以及配对脉冲易化。”
“此项研究汇聚了来自全球各地的专家,其意义不仅限于人工视觉,还拓展至可持续神经形态计算、图像处理以及节能生物启发电子学等更为广泛的应用领域。”
“我们计划将此单个设备原型拓展为阵列,用以增强图像识别功能,这能够在人工视觉系统于其生命周期终结时以更具可持续性的方式予以处置之前,为其提供更优的性能。一旦该设备的有效使用期限结束,该团队期望玻璃和黄金元素能够得以回收并再次利用,而有机元素则可以留存于自然中进行生物降解。该研究获得了英国 UKRI 责任电子和循环技术中心(REACT)、英国工程和物理科学研究理事会以及巴西圣保罗研究基金会(FAPESP)的资助。
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