基于独特堆叠结构，仿生“电子眼”实现高精度颜色识别与小型化
2022-04-23 11:28:15 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
Sidong Lei教授研究团队开发的这款仿生“电子眼”推进了最关键的视觉功能——颜色识别。研究人员认为，该项技术可能还有更广阔的应用前景，未来有望为视力受损人员提供帮助。
据麦姆斯咨询报道，近期，美国佐治亚州立大学（Georgia State University）的研究人员成功设计出一款新型人工视觉传感器，该传感器基于独特的垂直堆叠结构，能够在微观层面上实现更深层次的颜色识别和可扩展性。这项研究成果已在顶级期刊ACS Nano上发表。
“我们研究的最终目标是为微型机器人开发微型相机，目前的工作仅仅是个开端。”该项研究工作的负责人、物理学助理教授Sidong Lei说道，“我们研究了构建这种新型图像传感器的基本原理和可行性，重点是小型化。”
研究人员利用纳米合成技术，成功模拟了该图像传感器的生化（biochemical）过程，这项研究工作为仿生人工视觉器件的发展奠定了基础。
“众所周知，在研究、工业、医疗以及日常生活中，超过80%的信息是通过视觉捕获的。”Sidong Lei教授说道，“我们研究的最终目标是为微型机器人开发一种微型相机，它可以进入到当前技术手段无法触及的狭窄空间，将为医疗诊断、环境研究、制造、考古等领域开辟新的应用前景。”
Sidong Lei教授研究团队开发的这款仿生“电子眼”推进了最关键的视觉功能——颜色识别。在当前的研究中，由于主流颜色传感器的尺寸难以压缩，颜色识别功能常常被忽略。传统的颜色传感器通常采用横向颜色传感通道布局，占用了大量物理空间，且颜色检测精度较低。
在这项研究工作中，研究人员开发了一种独特的堆叠技术，为硬件设计提供了一种新颖的方法。Sidong Lei教授指出，基于范德华半导体的垂直颜色感知结构能够提供精准的颜色识别能力，可以简化光学透镜系统的设计，从而减小人工视觉系统的尺寸。
Sidong Lei教授研究团队的一名研究生Ningxin Li称，正是最近的堆叠技术进步使得该项新设计成为可能。
基于范德华半导体的垂直颜色传感器的原子力显微镜（AFM）图像
“在我们这款图像传感器架构中所实现的新功能，完全取决于近年来范德华半导体的快速发展。”Ningxin Li说，“与传统半导体材料（例如硅）相比，我们可以精确地控制范德华半导体材料的能带结构、厚度和其它关键参数，以感测红、绿、蓝三种颜色。”
基于范德华半导体的垂直颜色传感器（vdW-Ss）代表了一种新兴材料应用，其中单个原子层通过弱范德华力粘合，这种独特的材料结构为发现新物理场和设计下一代视觉传感器提供了关键的路径。
“得益于这些新型半导体材料的超薄、机械柔韧性和化学稳定性，我们能以任意顺序对其进行堆叠。因此，实际上我们引入了一种三维集成策略，与当前的平面微电子布局相比，更高的集成度将成为推动视觉传感器尺寸小型化的主要原因。”Ningxin Li继续说道。
研究人员目前正在向乔治亚州技术转让和商业化办公室（OTTC）申请该项设计专利。OTTC分析道，这项设计将会吸引一些行业合作伙伴的兴趣。“该设计方式有望解决当前传感器的一些主要缺陷。”OTTC的主任Cliff Michaels说，“随着纳米技术的进步和器件小型化的发展，这些尺寸更小、精度更高的颜色传感器将有更大应用价值。”
研究人员认为，该项技术可能还有更广阔的应用前景，未来有望为视力受损人员提供帮助。
“这项技术对于仿生‘电子眼’和其它神经形态假肢设备的发展至关重要。”Ningxin Li说，“高质量的色彩感知和图像识别功能，未来有可能为视力障碍人士带来丰富多彩的物品感知能力。”
接下来，Sidong Lei教授研究团队将围绕该项技术继续深入研究，以推动这些前沿技术的进一步发展。
“虽然我们的研究已向前迈出了一大步，但未来仍然面临着科学和技术的挑战，例如晶圆级集成问题。商业图像传感器可以集成数百万像素来提供高清图像，但我们的传感器原型目前还无法实现这种集成。”Sidong Lei教授继续说道，“这种大规模范德华半导体器件的集成，对于整个科研界而言都是一项关键挑战。我们的研究团队也正在与各方合作者共同努力，以实现关键问题的突破。”
论文信息：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c09875
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