上海技物所突破感存算一體化紅外光電器件，構(gòu)建智能動目標(biāo)智能追蹤新范式
中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所胡偉達研究員、苗金水研究員團隊、王芳青年研究員等在動目標(biāo)智能感知與光電計算融合研究方面取得重要突破。受自然界生物感知系統(tǒng)啟發(fā)，研究團隊圍繞紅外光電存儲與神經(jīng)形態(tài)感知構(gòu)建新型異質(zhì)結(jié)器件體系，實現(xiàn)了對高速、紅外動目標(biāo)的實時感知、記憶與識別，為未來高能效機器視覺與邊緣智能提供了關(guān)鍵支撐。相關(guān)成果近期分別發(fā)表在國際權(quán)威期刊《自然·通訊》(Nature Communications)和《光：科學(xué)與應(yīng)用》(Light: Science & Applications)上。 
當(dāng)前，紅外智能感知廣泛應(yīng)用于安全監(jiān)測、災(zāi)害預(yù)警、自動駕駛等重要領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)視覺系統(tǒng)普遍依賴馮·諾依曼架構(gòu)，在信息傳輸與處理過程中面臨高延遲、高能耗等挑戰(zhàn)，難以滿足復(fù)雜場景下的實時識別需求。受生物感知機制啟發(fā)，研究團隊提出面向“感知-存儲-計算”一體化的新型生物啟發(fā)的光電探測系統(tǒng)，突破傳統(tǒng)器件架構(gòu)壁壘，顯著提升了動態(tài)視覺處理能力。
其中，一項關(guān)鍵研究基于火甲蟲對中紅外火焰信號的敏銳感知機制。該昆蟲通過其胸部特化的坑狀器官感知森林火災(zāi)中微弱的紅外輻射，即使在高速飛行狀態(tài)下，仍能實現(xiàn)對火源位置與運動方向的精準(zhǔn)定位。受此啟發(fā)，上海技物所團隊聯(lián)合同濟大學(xué)黃佳、楊潔團隊構(gòu)建了基于PdSe?/并五苯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的中紅外神經(jīng)形態(tài)晶體管。PdSe?提供中紅外高吸收能力，并五苯則作為有機半導(dǎo)體材料模擬生物突觸的可塑性行為。該器件不僅實現(xiàn)了3–4.25 μm中紅外波段內(nèi)興奮性突觸響應(yīng)和成對脈沖易化(PPF)效應(yīng)，且在0.5 mW/cm²入射強度下即可工作，靈敏度接近火甲蟲的生理感知閾值。
基于此器件陣列團隊設(shè)計了儲備池計算(Reservoir Computing)框架，研究人員成功實現(xiàn)了中紅外動態(tài)軌跡的識別與方向分類。在627–927°C火焰模擬場景中，系統(tǒng)準(zhǔn)確率達到94.79%，展示出優(yōu)異的抗干擾能力和穩(wěn)定性，標(biāo)志著中紅外神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)在實際復(fù)雜場景下的可行性。
另一方面，研究團隊還聚焦于實現(xiàn)類視網(wǎng)膜高速紅外光電存儲與動目標(biāo)追蹤的協(xié)同集成。通過構(gòu)建BP/InSe二維范德華異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了非平凡帶帶隧穿(critical band-to-band tunneling)效應(yīng)，首次實現(xiàn)在520–980 nm寬譜范圍內(nèi)可見-近紅外的低能紅外光子隧穿與非易失性存儲。該機制顯著優(yōu)于傳統(tǒng)photogating或浮柵器件，在不犧牲響應(yīng)速度的前提下，抑制了拖尾與模糊現(xiàn)象，實現(xiàn)了500 ns級別的光存儲速度。
在模擬動目標(biāo)追蹤實驗中，該器件在高速光脈沖激勵下展現(xiàn)出清晰穩(wěn)定的成像結(jié)果，并通過光流法進行幀間特征點匹配，優(yōu)于低速存儲器件，有效提高了目標(biāo)定位精度。研究表明，該關(guān)鍵隧穿機制不僅提升了系統(tǒng)的時間分辨率，還通過能帶結(jié)構(gòu)匹配壓縮了能耗，為近紅外光電計算系統(tǒng)的設(shè)計提供了新思路。
兩項研究從仿生啟發(fā)—材料異質(zhì)集成—新型物理機制—系統(tǒng)級驗證形成完整閉環(huán)，展現(xiàn)了上海技物所在新一代光電計算范式領(lǐng)域的前瞻布局與原創(chuàng)突破。研究團隊未來將進一步探索多譜段融合、可重構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與片上學(xué)習(xí)機制，推進智能紅外視覺系統(tǒng)向更高維度的感知與決策演進。
上述工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃支持。
圖1 基于PdSe2/pentacene 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的受生物啟發(fā)的中紅外神經(jīng)形態(tài)晶體
圖2 基于BP/InSe 的非平凡帶帶隧穿光電存儲器
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