仿生设备左：螳螂虾视觉系统示意图。 右：基于手性银Nano团簇和有机半导体并五苯的人工光感受器。 （礼貌：CC BY 4.0/Nat.Commun.10.1038/s41467-024-46646-5）
近年来，人工智能和自主系统的进步引发了人们对人工视觉系统（AVS）的日益浓厚的兴趣。 人工视觉使机器能够“看到”、解释周围的世界并对其做出反应，就像人类在对我们可以看到变化的情况做出反应时所做的那样——例如，驾驶时一辆汽车在我们面前刹车。
这些“机器眼睛”使用相机和传感器捕捉周围世界的图像。 然后，复杂的计算算法处理这些图像，使机器能够实时分析周围环境并对任何变化或威胁做出响应（取决于其预期应用）。
AVS 已应用于许多领域，包括面部识别、自动驾驶汽车和视觉假肢（人造眼）。 用于自动驾驶汽车和高科技应用的 AVS 已经成熟。 然而，人体的复杂性使得视觉假肢更具挑战性，因为最先进的 AVS 不具备与其模仿的生物对应物相同水平的多功能性和自我调节能力。
当今使用的许多 AVS 需要多个组件才能运行 – 没有任何感光设备可以执行多种功能。 这意味着许多设计比应有的更加复杂，使得它们在商业上不太可行并且更难以制造。 中国科学院的 Hanlin Wang、Yunqi Liu 及其同事现在正在使用Nano团簇来创建用于生物修复的多功能光感受器，并在《自然通讯》上报告了他们的发现。
灵感来自螳螂虾
螳螂虾的视觉系统使用 16 个光感受器同时执行多项任务，包括颜色识别、自适应视觉和圆偏振光感知。 由于大自然往往能够做到科学家只能梦想在合成水平上实现的事情，仿生学已成为一种流行的方法。 由于螳螂虾的天然光感受器具有许多理想的特性，研究人员尝试使用Nano团簇人工模拟它们的特性。
Nano团簇是附着在保护性配体上的金属Atom。 这是一种可定制的方法，可以产生可调节的物理特性，例如由于量子尺寸效应而产生的离散能级和相当大的带隙。 Nano团簇还提供出色的光子到电子转换，使其成为制造人造光感受器设备的有前途的方法。
“Nano团簇被认为是延续摩尔定律的下一代材料，”王告诉《物理世界》。 “然而，诸如基于Nano团簇的器件的可重复制造和光电行为等基本科学问题仍然模糊且未经探索。”
人工Nano簇光感受器
受螳螂虾的启发，Wang 及其同事创建了Nano簇光感受器，并将其用作生物 AVS 的紧凑型多任务视觉硬件。 “在这项研究中，我们提出了Nano团簇嵌入的人工光感受器，它结合了光适应和圆偏振光视觉的能力，”王解释道。
为了创建 AVS，该团队基于手性银Nano团簇和有机半导体（并五苯）的异质结构制造了晶圆级Nano团簇光感受器阵列。 Nano团簇的核壳性质使它们能够充当传感器内电荷库，通过光阀机制调节人造光感受器的电导水平。 这使得感光系统能够确定入射光子的波长和强度。
当与阵列上的有机半导体材料接触时，在Nano团簇界面处发生配体辅助的电荷转移过程。 核壳结构中的保护性配体提供了将Nano团簇与有机半导体连接起来的转导途径。 这种飞秒尺度的过程有利于光谱相关的视觉适应和圆偏振识别。
“我们已经解决了Nano团簇薄膜和有机半导体之间均匀界面的晶圆级制造问题，为人工感光器与Nano级足迹的高密度集成提供了基础，”王说。
Nano团簇和有机半导体之间的界面提供了自适应视觉，从而能够通过可调节的动力学实现多种功能。 此外，由于Nano团簇是手性的，可以获得圆偏振信息。 因此，该团队拥有将色觉、光适应和圆偏振视觉结合到单个开发的光电探测器系统中的Nano团簇。
这种将多个视觉功能组合到单个系统中以用于生物识别应用的能力是一项很难实现的壮举，以前的方法必须依赖多个组件来完成与单个光电系统相同的工作。 该团队的方法可以帮助为神经形态设备和生物视觉相关的人工智能硬件构建更简单、更强大的视觉硬件。
“人造Nano簇光感受器在单个晶胞内执行多种视觉功能，”Hanlin 说。 “其中，光适应可以在0.45秒内触发并执行，准确率达到99.75%。 与现有文献相比，这是最高的性能，并且优于人类视觉系统——大约 1 分钟”。
接下来，研究人员的目标是将Nano团簇/有机半导体界面的光适应切换速率提高到 0.45 秒以上。 “未来，我们将研究电荷转移动力学的特征，并生产更快的Nano团簇嵌入神经形态系统，”王总结道。
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