無人機將擁有“大腦”？研究成果登上Science旗下期刊封面！

突發(fā)的新冠病毒肺炎疫情讓無人機擺脫僅供個人娛樂和植保的”設定用途”，在此次疫情防控中，無人機喊話、照明、噴霧消毒等功能得以大展拳腳，人們對無人機的功用一致稱好。

但是像“無人機在沒有向導的情況下飛行到偏遠的山區(qū)，并找到受困的登山者”這樣的情景目前還無法實現(xiàn)！因為當下的無人機無法直接識別拍攝到的物體，必須和遠程服務器合作，無人機拍攝到的物品后，需要傳到服務器，然后的等服務器對圖片進行識別。

好消息是：近日，美國中佛羅里達大學（通常簡稱 UCF）的研究人員開發(fā)了一種模仿用于人類視覺的腦細胞的裝置，可以同時模擬眼睛和大腦的功能，很好地彌合了機器和人思維之間的這段鴻溝，研究結果登上了《Science》旗下期刊《Science Advances》的封面。

突破性嘗試：石墨烯+PQDs，創(chuàng)造超結構
石墨烯由于其寬的光譜帶寬、優(yōu)異的載流子傳輸特性和非常高的遷移率，以及在環(huán)境條件下的出色穩(wěn)定性和柔韌性，成為電子和光電應用的理想材料。然而，單層石墨烯只吸收 2.3%的入射可見光。到目前為止，石墨烯光電探測器的響應度限制在 10?2 A W?1 左右。這些限制嚴重阻礙了石墨烯在光電子器件和光子器件中的應用。

有機 - 無機鹵化物鈣鈦礦量子點(PQDs)由于其在可見光范圍內的帶隙可調諧、高的光致發(fā)光(PL)量子產率、窄的發(fā)射光譜和高的消光系數(shù)而被認為是具有吸引力的光電子器件材料。但與石墨烯相比，有機 - 無機鹵化物鈣鈦礦量子點(PQDs)的電荷傳輸能力較差。

UCF 的研究小組創(chuàng)新地采用兩個材料相結合的方式，通過直接在石墨烯單層表面的活性中心上生長 PQD，形成新的超結構——石墨烯 -PQD(G-PQD)超結構，以增強這兩個部分之間的電荷轉移。設計這種混合超結構的基本原理來自于 PQDs 吸收光和產生電荷載流子的能力。

這種組合允許光活性粒子捕捉光線，將其轉化為電荷，然后將電荷直接轉移到石墨烯上，所有這些都只需一步就可以完成。整個過程發(fā)生在一層非常薄的薄膜上，大約是人類頭發(fā)厚度的萬分之一。

結果，通過在光電晶體管幾何結構中實現(xiàn)這種薄超結構，研究小組在 430 nm 處獲得了 1.4×108A W?1 的光響應率和 4.72×1015Jones 的比探測率，這是迄今為止報道的同類器件中最好的響應率和探測率，對開發(fā)用于高速通信、傳感、超靈敏相機以及高分辨率成像和顯示的高效光電材料很有前途。

此外，研究小組發(fā)現(xiàn)石墨烯 -PQD(G-PQD)超結構表現(xiàn)為光子突觸，每穗能耗為 36.75pJ，模仿了其生物等效的關鍵特征，具有獨特的光學增強和電習服功能，讓研究人員能夠構建用于神經形態(tài)結構的硬件單元以模仿人腦功能，這對于模式識別和其相關應用至關重要。

研究成員談超結構 G-PQD 的應用
UCF 納米科學技術中心和材料科學與工程系副教授 Jayan Thomas 表示：“這是向開發(fā)神經形態(tài)計算機（可以同時處理和記憶信息的計算機處理器）邁出的一小步，可以減少計算機的信息處理時間以及處理所需的能量。在未來的某個時刻，這項發(fā)明可能有助于制造出可以像人類一樣思考的機器人?！?/p>

UCF 納米科學技術中心助理教授 Tania Roy 表示：“這項技術的一個潛在用途是用于無人機輔助救援。早期的研究者們發(fā)明了攝像頭，用于捕捉圖像并將其發(fā)送到服務器進行識別，但我們團隊創(chuàng)造的這種單一的裝置，可以同時模擬眼睛和大腦的功能，可以觀察圖像，并當場識別，使無人機真正具有自主性，因為它可以像人類一樣看到?！?/p>

這項研究的第一作者之一 Basudev Pradhan（曾是 Thomas 實驗室的巴斯卡拉高級太陽能研究員，現(xiàn)為印度賈坎德邦中央大學能源工程系助理教授）說：“超結構顯示出光輔助記憶效應，類似于人類與視覺相關的腦細胞。我們開發(fā)的光電突觸與以大腦為靈感的神經形態(tài)計算高度相關。這種超結構必將為超薄光電設備的開發(fā)帶來新的方向?！?/p>

這項研究的另一第一作者——Sonali Das（Roy 實驗室的博士后研究員）說：“這一裝置還有潛在的國防應用，可用來輔助士兵在戰(zhàn)場上的視野。此外，該裝置能夠以極低的功耗探測、檢測和重建圖像，從而使其能夠在現(xiàn)場應用中進行長期部署?！?/p>

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面部識別考驗
神經形態(tài)計算是科學家的一個長期目標，計算機可以同時處理和存儲信息，就像人的大腦視覺一樣。當前，計算機在單獨的位置存儲和處理信息，這限制了它們的性能。比如無人機，看的是機器，識別的是遠程的服務器上工作的人。

為了測試這一超機構裝置通過神經形態(tài)計算看到物體的能力，研究人員用該裝置在面部識別上進行試驗。

Thomas 表示：“面部識別實驗是檢查我們的光電神經形態(tài)計算的初步測試。由于我們的設備模仿了與視覺有關的腦細胞，因此面部識別是神經形態(tài)構建模塊最重要的測試之一?！?/p>

考驗通過！研究小組開發(fā)的超結構裝置成功識別上圖中 4 個不同人物的畫像。

研究人員表示，他們計劃繼續(xù)合作以精細化該裝置，包括使用它來開發(fā)電路級系統(tǒng)，同時期待 G-PQD 超結構將為高效光電子器件的發(fā)展提供新的方向。