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出品：科普中國

作者：吳孝嵩（中國科學院福建物質結構研究所）

監製：中國科普博覽

“嘿，AI，今晚有個(ge) 約會(hui) ，幫我挑一套衣服吧！”

“好嘞主人！”

……

這個(ge) 場景現在不僅(jin) 能出現在科幻電影裏，也能真實發生了！

2023年1月28日，中國科學院福建物質結構研究所黃偉(wei) 國研究員團隊和香港大學王中銳教授團隊發表了一項文章，該文章介紹了一種新型的光電材料和器件，可用於(yu) 實現Al代替人腦識別不同時尚服裝的目標。

AI挑衣服的第一步：“感算一體(ti) ”

這項技術類似於(yu) 一個(ge) 可穿戴的人造眼睛，能夠感星空体育官网入口网站別各類圖像。如果能夠實現這一目標，將為(wei) 未來的人工智能科技發展開創新的局麵。

那該如何實現這一目標呢？首先是對材料有目的性的設計。

人類視網膜能夠感知光信號、收集並預處理各類動態圖像，為(wei) 下一步的視覺認知過程提供便利。要想讓AI擁有視覺智能，也需要實現類似的功能。然而，傳(chuan) 統矽視覺芯片的信號感知、存儲(chu) 和處理單元相互獨立，它們(men) 之間的數據傳(chuan) 輸和模數轉換會(hui) 產(chan) 生大量能耗並限製計算速度。而且，隨著摩爾定律的減速，這種限製會(hui) 變得更加嚴(yan) 重。

因此，探索新的技術路線，開發新型光電材料和器件，賦予其“感知和計算一體(ti) 化”的特性，對實現低功耗、高計算速度的邊緣計算器件具有重要的意義(yi) 。

優(you) 秀的半導體(ti) 材料可以擁有“記憶”

感知和計算一體(ti) 化，首先要實現“感知”，即瞬態記憶行為(wei) 。

研究人員提出了一種材料-算法協同設計策略，開發出一種具有高效激子分離和空間電荷傳(chuan) 輸特性的半導體(ti) 聚合物(p-NDI**)。**

圖1 p-NDI薄膜的形貌分析

（圖片來源：參考文獻）

通常情況下，光照射到半導體(ti) 上時，半導體(ti) 中會(hui) 產(chan) 生一些激子，一個(ge) 激子是一個(ge) 電子和一個(ge) 空穴的複合體(ti) （圖1i），激子分解後產(chan) 生的電子參與(yu) 電荷傳(chuan) 輸，從(cong) 而導致光電流增大。

然而，由於(yu) 庫侖(lun) 力的作用，電子和空穴最終會(hui) 束縛在一起發生湮滅，使得參與(yu) p-NDI半導體(ti) 電荷傳(chuan) 輸的電子慢慢減少，導致電流慢慢減小（圖1k），形成瞬態記憶行為(wei) 。

圖2 傳(chuan) 統半導體(ti) 和p-NDI的光電流響應比較，以及傳(chuan) 感器端RC係統的詳細半導體(ti) 設計原理

（圖片來源：參考文獻）

從(cong) 上圖可以看出，常見的半導體(ti) 製備的晶體(ti) 管在除去光照以後，電流立刻恢複到初始值或者幾乎沒有光電流。

而基於(yu) p-NDI製備的晶體(ti) 管在除去光照後，其電流隨時間呈非線性減小的特性，形成了一種瞬態記憶行為(wei) ，類似於(yu) 人腦記憶中的一種記憶類型。比如，我們(men) 看到某件服裝，它會(hui) 在我們(men) 腦中短暫停留，然後慢慢消失，這一過程就是瞬態記憶。

這些特性對於(yu) 光信號預處理和光電傳(chuan) 感器進行“儲(chu) 池計算”至關(guan) 重要。

研究人員通過實驗分析表明，p-NDI具有較規整麵外取向，及較差的麵內(nei) 取向，這樣的結構既保證了有效的空間電荷傳(chuan) 輸，也控製了電子和空穴在空間上複合的速度（圖1i）。所有這些特性促成了基於(yu) p-NDI的晶體(ti) 管出色的光響應行為(wei) 和瞬態記憶特性。

視覺芯片的誕生

圖3光學多任務學習(xi) 示意圖

（圖片來源：參考文獻）

圖4 使用 DVSGesture128 數據集進行基於(yu) 事件的視頻分類

（圖片來源：參考文獻）

研究人員利用上述半導體(ti) 材料製備了具有多任務識別能力的“儲(chu) 池計算”神經視覺芯片（圖4）。經過數次模擬、實踐與(yu) 驗證後，該“儲(chu) 池計算”器件對手寫(xie) 字母、數字和服裝的識別率分別為(wei) 98.04%、88.18%和91.76%。此外，對不同動態手勢（揮左手、揮右手和鼓掌）的識別率更是高達98.62%（圖4）。

這項技術不僅(jin) 克服了傳(chuan) 統傳(chuan) 感計算係統產(chan) 生大量能耗的瓶頸，而且也提供了一個(ge) 有前景的材料-算法協同設計策略，用於(yu) 可穿戴、價(jia) 格適宜且具有多任務學習(xi) 能力的高效光子神經形態係統。

那麽(me) 這些科技設計和我們(men) 實際生活有什麽(me) 關(guan) 聯呢？

看起來很“高大上”，但其實，它們(men) 與(yu) 我們(men) 的日常生活密不可分，讓我們(men) 的生活更加便利。例如，對於(yu) 視力有缺陷的人來說，人造視覺芯片無疑可以幫助他們(men) 重新“看”清世界，擺脫生活中因視力缺陷造成的各種困擾。感算一體(ti) 的視覺芯片還可以利用其強大的計算能力，快速判斷路況，為(wei) 無人駕駛提供更多的保障。當然，還有很多其他的應用場景……

小結

在材料與(yu) 算法的協同之下，在並不遙遠的未來，我們(men) 真的有可能擁有能夠幫我們(men) 挑選衣服的AI管家，這麽(me) 一想確實還有點兒(er) 小激動呢！

注：本文相關(guan) 研究已發表在Nature Communications上，論文標題為(wei) Wearable in-sensor reservoir computing using optoelectronic polymers with through-space charge-transport characteristics for multi-task learning。

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