自供電人工突觸模擬人類(lèi)色覺(jué)

隨著(zhù)人工智能和智能設備的不斷發(fā)展，機器視覺(jué)作為現代技術(shù)的關(guān)鍵使能者，正發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用。然而，盡管取得了很大進(jìn)展，機器視覺(jué)系統仍然面臨一個(gè)主要問(wèn)題：處理每秒產(chǎn)生的海量視覺(jué)數據需要大量的電力、存儲和計算資源。這一限制使得在邊緣設備（如智能手機、無(wú)人機或自動(dòng)駕駛汽車(chē)）中部署視覺(jué)識別功能變得困難。

有趣的是，人類(lèi)的視覺(jué)系統提供了一個(gè)引人入勝的替代模型。與必須捕捉和處理每個(gè)細節的常規機器視覺(jué)系統不同，我們的眼睛和大腦會(huì )選擇性地過(guò)濾信息，從而在視覺(jué)處理中實(shí)現更高的效率，同時(shí)消耗最小的能量。神經(jīng)形態(tài)計算，它模仿生物神經(jīng)系統的結構和功能，因此已成為一種有前景的方法，以克服計算機視覺(jué)中現有的障礙。然而，兩個(gè)主要挑戰仍然存在。第一個(gè)是實(shí)現與人類(lèi)視覺(jué)相當的色彩識別，而第二個(gè)是消除對外部電源的需求，以最大限度地減少能源消耗。

在此背景下，由日本東京大學(xué)（TUS）先進(jìn)工程學(xué)院電子系統工程系副教授高野健教授領(lǐng)導的研究團隊開(kāi)發(fā)了一種突破性解決方案。他們的論文于 2025 年 5 月 12 日在《 科學(xué)報告 》第 15 卷上發(fā)表，介紹了一種能夠以驚人精度區分顏色的自供電人工突觸。該研究由來(lái)自 TUS 的 Mr. Hiroaki Komatsu 和 Ms. Norika Hosoda 共同撰寫(xiě)。

研究人員通過(guò)集成兩種不同的染料敏化太陽(yáng)能電池來(lái)制造他們的設備，這些電池對不同的光波長(cháng)有不同的響應。與需要外部電源的傳統光電人工突觸不同，所提出的突觸通過(guò)太陽(yáng)能轉換產(chǎn)生電力。這種自供電能力使其特別適用于邊緣計算應用，其中能效至關(guān)重要。

通過(guò)大量實(shí)驗證明，該系統可以在可見(jiàn)光譜上以 10 納米的分辨率區分顏色——這種辨別能力接近人眼的水平。此外，該設備還表現出雙極響應特性，在藍光下產(chǎn)生正電壓，在紅光下產(chǎn)生負電壓。這使得它能夠執行通常需要多個(gè)傳統設備才能完成的復雜邏輯運算。"這些結果表明，這種能夠同時(shí)實(shí)現高分辨率顏色識別和邏輯運算的新一代光電設備，在低功耗人工智能（AI）視覺(jué)識別系統中具有巨大的應用潛力，" Ikuno 博士指出。

為了展示實(shí)際應用，研究團隊將他們的設備應用于物理水庫計算框架中，以識別記錄在紅、綠、藍中的不同人體運動(dòng)。當使用單個(gè)設備對18種顏色和運動(dòng)的組合進(jìn)行分類(lèi)時(shí)，該系統達到了令人印象深刻的82%準確率，而傳統系統則需要多個(gè)光電二極管。

這項研究的意義涵蓋多個(gè)行業(yè)。在自動(dòng)駕駛汽車(chē)中，這些設備可以更有效地識別交通信號燈、道路標志和障礙物。在醫療保健領(lǐng)域，它們可以為監測血氧水平等生命體征的可穿戴設備提供動(dòng)力，同時(shí)電池消耗極小。對于消費電子產(chǎn)品，這項技術(shù)可能導致智能手機和增強/虛擬現實(shí)頭戴式設備，在保持復雜的視覺(jué)識別能力的同時(shí)，電池壽命得到顯著(zhù)改善?！拔覀兿嘈胚@項技術(shù)將有助于實(shí)現低功耗、具有接近人類(lèi)眼睛色彩分辨能力的機器視覺(jué)系統，其應用包括自動(dòng)駕駛汽車(chē)的傳感器、醫療用途的低功耗生物識別傳感器以及便攜式識別設備，”Ikuno 博士評論道。

總的來(lái)說(shuō)，這項工作代表著(zhù)將計算機視覺(jué)的奇跡帶給邊緣設備的重要一步，使我們的日常設備能夠更像我們一樣地看世界。