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俄勒岡州立大學(xué)的研究人員正在通過一種新型的光學(xué)傳感器取得重大進(jìn)展，這種新型光學(xué)傳感器可以更緊密地模仿人眼感知其視野變化的能力。

該傳感器是圖像識(shí)別，機(jī)器人技術(shù)和人工智能等領(lǐng)域的重大突破。OSU工程學(xué)院研究員John Labram和研究生Cinthya Trujillo Herrera的發(fā)現(xiàn)今天發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》上。

電機(jī)工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)助理教授拉布拉姆說(shuō)，以前嘗試制造人眼類型的設(shè)備（稱為視網(wǎng)膜視傳感器）是依靠軟件或復(fù)雜的硬件。但是，這種新型傳感器的操作是其基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的一部分，該技術(shù)使用了鈣鈦礦半導(dǎo)體的超薄層（近年來(lái)對(duì)其太陽(yáng)能潛力進(jìn)行了廣泛研究），當(dāng)置于光線下時(shí)，它會(huì)從堅(jiān)固的電絕緣體變?yōu)閳?jiān)固的導(dǎo)體。

拉布拉姆說(shuō)：“您可以把它想象成一個(gè)需要做微處理器的事情，”他在國(guó)家科學(xué)基金會(huì)的支持下領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。

Labram說(shuō)，新的傳感器可能與神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)完美匹配，后者將為自動(dòng)駕駛汽車，機(jī)器人技術(shù)和高級(jí)圖像識(shí)別等應(yīng)用中的下一代人工智能提供動(dòng)力。與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)按一系列指令順序處理信息的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)不同，神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)被設(shè)計(jì)為模擬人腦的大規(guī)模并行網(wǎng)絡(luò)。

拉布拉姆說(shuō)：“人們已經(jīng)嘗試在硬件中復(fù)制它，并且已經(jīng)相當(dāng)成功�！� “但是，即使用于處理信息的算法和體系結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越像人的大腦，但這些系統(tǒng)接收的信息仍然是為傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的�！�

換句話說(shuō)：為了發(fā)揮其全部潛能，更像人類大腦那樣“思考”的計(jì)算機(jī)需要更像人眼“看到”的圖像傳感器。

眼睛是一個(gè)非常復(fù)雜的器官，包含約1億個(gè)感光器。但是，視神經(jīng)與大腦的連接只有一百萬(wàn)。這意味著在可以傳輸圖像之前，必須在視網(wǎng)膜中進(jìn)行大量的預(yù)處理和動(dòng)態(tài)壓縮。

事實(shí)證明，我們的視覺特別適合檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體，對(duì)靜態(tài)圖像的興趣相對(duì)較小，拉布拉姆說(shuō)。因此，我們的光學(xué)電路優(yōu)先考慮來(lái)自感光體的信號(hào)，這些信號(hào)檢測(cè)光強(qiáng)度的變化-您可以凝視某個(gè)固定點(diǎn)，直到外圍視覺中的物體開始消失，從而證明這一點(diǎn)，這種現(xiàn)象被稱為Troxler效應(yīng)。

Labram說(shuō)，傳統(tǒng)的傳感技術(shù)，如數(shù)碼相機(jī)和智能手機(jī)中的芯片，更適合順序處理。圖像以設(shè)定的頻率逐像素地掃描傳感器的二維陣列。每個(gè)傳感器產(chǎn)生的信號(hào)幅度都隨其接收的光強(qiáng)度而直接變化，這意味著靜態(tài)圖像將導(dǎo)致傳感器產(chǎn)生或多或少的恒定輸出電壓。

相比之下，視網(wǎng)膜形態(tài)傳感器在靜態(tài)條件下保持相對(duì)安靜。當(dāng)檢測(cè)到光照變化時(shí)，它會(huì)記錄一個(gè)短而尖銳的信號(hào)，然后迅速恢復(fù)到其基線狀態(tài)。這種行為歸因于一類稱為鈣鈦礦的半導(dǎo)體的獨(dú)特光電性能，這些半導(dǎo)體已顯示出作為下一代低成本太陽(yáng)能電池材料的巨大希望。

在Labram的視網(wǎng)膜形態(tài)傳感器中，鈣鈦礦被應(yīng)用在厚度僅為幾百納米的超薄層中，其本質(zhì)上是充當(dāng)電容器，可在光照下改變其電容。電容器將能量存儲(chǔ)在電場(chǎng)中。

他說(shuō)：“測(cè)試的方法基本上是將其在黑暗中放置一秒鐘，然后打開燈，然后將它們保持打開狀態(tài)�！� “一旦燈亮著，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大的電壓尖峰，即使燈的強(qiáng)度恒定，電壓也會(huì)迅速衰減。這就是我們想要的。”

盡管Labram的實(shí)驗(yàn)室目前一次只能測(cè)試一個(gè)傳感器，但他的團(tuán)隊(duì)測(cè)量了許多設(shè)備并開發(fā)了一個(gè)數(shù)值模型來(lái)復(fù)制它們的行為，從而得出Labram認(rèn)為理論與實(shí)驗(yàn)之間的“良好匹配”。

這使團(tuán)隊(duì)能夠模擬一系列視網(wǎng)膜形傳感器，以預(yù)測(cè)視網(wǎng)膜形攝像機(jī)如何響應(yīng)輸入刺激。

Labram說(shuō)：“我們可以將視頻轉(zhuǎn)換為一組光強(qiáng)度，然后將其用于模擬�！� “通過傳感器預(yù)測(cè)會(huì)有較高電壓輸出的區(qū)域會(huì)亮起，而較低電壓區(qū)域仍會(huì)保持黑暗。如果攝像機(jī)相對(duì)靜止，則可以清楚地看到所有移動(dòng)的物體都具有強(qiáng)烈的響應(yīng)。哺乳動(dòng)物中光學(xué)傳感的范例�！�

使用棒球練習(xí)鏡頭進(jìn)行的模擬演示了預(yù)期的結(jié)果：內(nèi)場(chǎng)的球員顯示為清晰可見，明亮的運(yùn)動(dòng)物體。相對(duì)靜止的物體（棒球鉆石，看臺(tái)，甚至外野手）逐漸消失。

更加引人注目的模擬顯示，一只鳥飛進(jìn)了視野，然后停在一個(gè)看不見的喂鳥器上，幾乎消失了。鳥在起飛時(shí)重新出現(xiàn)。設(shè)置為搖擺的進(jìn)紙器僅在開始移動(dòng)時(shí)才可見。

Labram說(shuō)：“好消息是，通過這種模擬，我們可以將任何視頻輸入這些陣列之一，并以與人眼基本相同的方式處理信息�！� “例如，您可以想象一下機(jī)器人正在使用這些傳感器來(lái)跟蹤對(duì)象的運(yùn)動(dòng)。其視野中的任何靜止?fàn)顟B(tài)都不會(huì)引起響應(yīng)，但是運(yùn)動(dòng)的對(duì)象會(huì)產(chǎn)生高壓。這將立即告訴機(jī)器人對(duì)象的位置，無(wú)需進(jìn)行任何復(fù)雜的圖像處理�！�