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仿生视网膜:KAUST研究团队开发出新型电容式柔性光感器

2022-02-24 22:56 · 稿源: cnbeta

沙特阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的一支研究团队,刚刚在《光:科学与应用》期刊上发表了一篇文章,介绍了如何用钙钛矿材料来打造一种人造视网膜其特点是能够以与人眼类似的方式来检测光,且测试设备甚至能够用于识别手写数字。

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研究配图 - 1:哺乳动物视网膜的视杆细胞

据悉,人类和其它哺乳动物的眼睛,都依赖于视网膜中的感光细胞来工作(视杆细胞和视锥细胞)。它们会吸收传入的光子,并向大脑发送电信号。

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研究配图 - 2:柔性电容式感光器(CPRs)示意图

在这项新研究中,KAUST 研究人员就致力于在人造设备中模拟该过程,但需要用到一种光吸收效率极高关键材料,比如被新一代光伏面板寄予厚望的钙钛矿。

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研究配图 - 3:CPRs 的响应,呈现出了与频率之间的非相关性。

钙钛矿纳米晶体被嵌入到了聚合物上,然后该层又被夹在两个电极之间 —— 底部是铝、顶部是氧化铟锡。上部电极被蚀刻,以允许光线通过钙钛矿层,从而形成所需的感光器阵列。

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研究配图 - 4:CPR 在不同强度 LED 照射下的瞬态响应(10kHz 测量),呈现可调谐与可重复性。

在聚酰亚胺基板上制成传感器后,可让设备弯曲称所需的任何形状(此处选择了类似人类视网膜的形状)。而后为了处理光输入,感光器阵列又被连接到了一个 CMOS 传感器和具有百个输出神经元的神经网络。

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研究配图 - 5:CPR 波长相关特性与可靠性

在 4 x 4 阵列的测试中,研究人员用各种颜色的 LED 灯来照射它。结果发现其具有与人眼非常相似的光学响应,对绿光尤为敏感。在另一项测试中,该系统甚至达成了 72% 的手写数字识别率。

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研究配图 - 6:CPR 的工作机制与记忆效应研究

稳定性方面,这套人造视网膜传感器系统也相当出色。即使经过了 129 周,其对光的响应也没有任何变化。遗憾的是,尽管受生物学灵感启发,这种人造视网膜还是不太适合用于人体移植。

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研究配图 - 7:神经元接口与输出响应

尽管有其生物学灵感,但这种人造视网膜不太可能像其他一些人一样用于人体移植。好消息是,随着开发的不断深入,相关技术至少可用于改善相机、或更加先进的机器人视觉系统。

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(来自:Light | Science Applications)

通讯作者 Khaled Nabil Salama 表示,其在该研究领域的最终目标,是开发出高效的神经形态视觉传感器、以及为计算机视觉应用打造更高效的摄像头系统。

现有系统使用的光电探测器,需要借助外部电源才能运行。因而即使在待机状态下,也会消耗大量的能源。另一方面,新型电容式柔性光感器不会在运行过程中有静态功率消耗。

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