10月5日，《Nature Communications》在線刊發了我校6774澳门永利葉鐳教授、缪向水教授關于二維仿生視覺硬件的最新研究成果“Multifunctional human visual pathway-replicated hardware based on 2D materials”。缪向水教授、葉鐳教授和國防科技大學江天教授為通訊作者，我校2021級博士生彭追日為第一作者。我校6774澳门永利為論文第一完成單位。該工作得到香港中文大學童磊博士的大力支持，并受到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、湖北省重點、香港研究資助局等項目的資助。
人類視覺系統包括視網膜、視覺皮層及其連接的視覺通路。腹側通路(P pathway)和背側通路(M pathway)分别通過特定的連接方式，進行顔色、形狀識别的靜态信息和方向、運動判斷的動态信息處理（圖1）。模仿視網膜在近年來研究廣泛，但缺乏考慮視覺通路的連接方式，使得複雜視覺功能的集成化充滿挑戰。因此，本工作從人類視覺通路的連接狀态出發，開發了一種複制視覺通路的多功能硬件。
人類視覺系統：視覺通路及其功能
該硬件由交叉棒陣列和模仿視覺通路回路連接的相關外圍電路構成。其中，10 × 10像素規模的交叉棒陣列由Al2O3/Pt/Al2O3/WSe2分裂浮栅結構（SFG）的單元器件構成（圖2），器件和陣列具有兩種工作模式：i）光伏二極管模式；ii）雙極晶體管模式。在光伏二極管模式下，分裂浮栅賦予二硒化鎢（WSe2）同質結可重構的正/負光電流，且響應度受到栅極電壓近線性的調節，工作時無需偏壓待機功耗幾乎為零。該模式下的SFG陣列能夠模拟視網膜的中心-周圍感受野（CSRF）。在雙極晶體管模式下，雙栅的一端施加固定電壓用于選通，另一端調節晶體管溝道電導率用于調節神經網絡單元權重。該模式下的SFG陣列能模拟視覺皮層的神經網絡結構，通過基爾霍夫定律執行矩陣乘和操作。浮栅編程能量僅1 pJ/spike，有望實現超低功耗。
WSe2分裂浮栅器件交叉棒陣列與複用功能
将SFG陣列與外圍電路組裝起來，視覺通路複刻硬件實現了顔色處理、形狀識别和運動追蹤功能（圖3）。完全複制實際的顔色處理通路，在硬件電路層面解釋了紅綠色盲的原因。通過在雙層稀疏神經網絡内進行有效的形狀分類，形狀識别功能被驗證，并展示了神經回路兼容的稀疏性和>95%的識别率。相比全連接網絡，器件使用量減少61.1%且每次操作僅需0.9 nJ的編程能耗。基于Barlow–Levick模型，模仿突觸信号傳輸時延相關的方向判斷機制，硬件搭配延時電路和雙向移位寄存器實現運動追蹤功能。該研究為仿生視覺硬件提供了新的思路，有望助力開發更适應神經結構的腦機接口設備，幫助盲人或色盲患者恢複正常視力，并推動無人駕駛技術和智能機器人領域的進步。
人類視覺通路複制硬件的工作原理流程圖
團隊介紹：
6774澳门永利缪向水教授團隊長期從事三維相變存儲器、憶阻器、類腦智能計算與邏輯運算等信息存儲材料及器件方向的研究。2018年出版了國内第一本憶阻器專著《憶阻器導論》；2019年團隊将93項三維相變存儲器芯片專利許可給國内存儲器龍頭并合作開發産品，并與行業龍頭企業合作建立了聯合實驗室，推動存儲器芯片技術成果轉化和未來引領技術探索。
論文鍊接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52982-3
