仿生视觉适应领域取得新进展提供人工视觉构建新思路

图1（a）人体视觉适应的原理示意图，（b）OAAT的器件结构图，（c）OAAT的光强依赖适应性曲线

　　在国家自然科学基金项目（批准号：22021002、62075224、62001454）等的资助下，中国科学院化学研究所朱道本研究员和狄重安研究员团队在仿生视觉适应领域取得进展。研究成果以“光强依赖的主动光适应有机晶体管（An organic transistor with light intensity-dependentactive photoadaptation）”为题，于2021年7月22日以封面文章形式在线发表于《自然∙电子学》（Nature Electronics）。

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41928-021-00615-8#citeas。

　　仿生视觉适应是人工智能系统的核心功能之一。在生物体中，视觉系统会根据环境光的变化调整其响应行为，通过前馈和反馈适应方式实现对弱光的响应增强或对强光的响应抑制。迄今，误差校正型反馈电路已经在曝光与成像系统中得到广泛应用。新一代人工视觉系统迫切需要兼具前馈适应功能，即通过信息预处理实现对动态变化刺激的主动适应调节。理想的主动适应模块应基于单一器件，以保证结构的最简化和功耗的最低化。

　　上述研究团队将两个功能互补的体相异质结引入有机晶体管中，如图1所示，设计了主动适应有机晶体管（OAAT）。在该器件中，PDPP3T:PCBM作为光响应载流子传输层，对外界光强刺激产生瞬时的光电流响应；而P3HT:PCBM作为光调控电荷俘获层，模拟外界光强刺激下的动态适应行为。结合激子分离、电荷传输与电荷俘获的耦合，OAAT可在不同光照下实现导电沟道内载流子浓度的自适应动态调节，光强响应范围为1到1×106 cd m-2，涵盖了自然环境光强度的主要区间。

　　该研究定义了主动适应系数（AAI，光强变化一个量级产生的灵敏度变化率），研究了OAAT的光强依赖适应特性。当光强小于100 cd m-2时，AAI小于1并几乎保持不变；当光强逐渐增加至105时，AAI逐渐增加至12.4，表明此类器件的适应性增强。该变化趋势与人体视觉系统中提取的AAI适应规律相吻合。通过系统机制研究建立了器件的AAI-光强-时间的工作模型，为OAAT的理性设计奠定了基础。此外，柔性器件阵列（3×3）在1×104cd m-2光强下适应时间小于2 s，显现了比人眼更快的背景适应能力，从而验证了OAAT具有高级视觉适应功能。这一研究成果为人工视觉系统的构建提供了新思路。