近日，南京大学万青教授、万昌锦副教授课题组，构建了能够对连续光进行频率编码的氧化物基(IGZO/TaOX)视锥神经元器件，取得了可见光范围单个尖峰小于400 pW的功耗（与人眼视锥感受器功耗相当），实现了高生物相似性的颜色感知能力的模拟。该器件采用了低温磁控溅射的制备工艺，与标准半导体制造工艺兼容，适合大面积硅基三维集成。该成果将为低功耗的动态视觉处理系统提供基础元件，并为高智能仿生机器人的发展提供重要的参考价值。该研究成果以“Vertically integrated spiking cone photoreceptor arrays for color perception”为题，发表于Nature Communications。论文链接：10.1038/s41467-023-39143-8
生物视觉神经系统能把外界刺激转换成跨膜电位，使外界刺激的关键特征体现在膜电位的频率、持续时间和波动方向等形式里。这种编码方式具有极高的价值密度，极大地节省了信息处理所需的能量。例如，我们依赖于视网膜上近6百万个视锥感受器能分辨超过1百万种颜色，然而每个感受器细胞功耗却仅为几百个皮瓦(~10-10 W)，其性能超越绝大多数数字传感器（图1）。
图1. 视觉感受器对光学信息的编码过程示意图。
受视锥感受器细胞启发，该团队研制并制备了垂直集成的尖峰视锥感受器（VISCP）。该器件由多层金属氧化物薄膜（ITO/IGZO/Ag/Ta2O5/ITO）组成（图2）。它具有和生物视锥细胞类似的关键特性，包括极高的能效以及对连续光的频率编码能力。其中颜色感知由IGZO光敏电阻实现，Ta2O5阈值开关忆阻器用来编码和输出尖峰脉冲序列。
图2. 垂直集成的尖峰视锥感受器阵列及器件示意图。
这种VISCP的输出尖峰频率范围为0.1-1200 Hz，对可见光的响应功耗小于400 pW，这些特点都十分接近生物视锥细胞。该器件对三种波长（532 nm、405 nm和360 nm）的光，表现出超过1.5个数量级的尖峰响应频率频率，这使其具有出色的颜色分辨能力（图3）。
图3. 该器件对混色光的尖峰编码能力展示
该团队设计了“色盲测试”风格的混色手写数字数据集作为测试样本，来验证该器件的颜色感知能力。实验表明上述器件能以高准确率通过“色盲测试”（图4）。以该VISCP器件为基本模块，可望构建具有复杂颜色感知能力的硬件尖峰神经网络（SNN）系统，并可能在智能机器人和人工眼等新兴领域产生转化效应。
图4. 该器件对“色盲测试”风格的多色手写数字数据集的验证结果
论文第一作者为银河galaxy娱乐游戏中心王祥静博士，共同通讯作者为万青教授和万昌锦副教授，上述工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委等项目的支持。
