仿生视觉领域获得重要进展！中国团队基于Lake Shore探针台的高精度测量，多篇成果登上Adv. Mater.等权威期刊
发布日期：2025-11-17
在人工智能算力需求爆炸式增长的今天，传统计算机架构正面临严峻的能效瓶颈，神经形态视觉系统凭借仿生感知与处理融合的优势，成为突破这一困境的核心方向。近日，东北师范大学与吉林大学研究团队依托Lake Shore探针台的宽温区环境控制、真空 / 特定气氛调节及高精度同步测试能力，在光电忆阻器视觉芯片领域取得系列突破性成果，相关研究连续发表于Advanced Materials、Advanced Functional Materials和Advanced Science等国际高水平期刊，为下一代人工智能视觉系统的发展开辟了新路径。
突破传统瓶颈，仿生视觉显优势
传统机器视觉系统因图像传感与处理单元相互分离，导致大量数据需要在不同单元间频繁搬运，不仅造成高昂能耗，更严重限制了处理效率。
相比之下，人类视觉系统展现出惊人的能效优势。它能够将感知与处理无缝融合，通过事件驱动的异步处理机制，在毫瓦级功耗下完成复杂的视觉任务。
具有传感器内计算能力的光电忆阻器，结合光电响应和神经形态计算的特征，为开发高效能神经形态视觉系统提供了理想的硬件基础，这正是研究团队致力突破的方向。
图1：人类视觉系统(a)和神经形态视觉(b)架构（Materials Futures, 2023, 2(3): 032301）
多项突破性进展，多路径探索全光谱光电忆阻器
1. 近红外感知：让机器拥有"夜视能力"(1)
东北师范大学徐海阳教授团队开发的新型近红外光电忆阻器，突破了传统视觉传感器的波长限制。该器件在Lake Shore探针台的精确测试下，展现出对980 nm近红外光的优异响应抑制特性，实现了在黑暗环境下的视觉感知。
图2：基于Au/ZnO-UCNPs/FTO光电忆阻器的全光学调制突触的突触特性。在紫外光（350 nm）和近红外光（980 nm）刺激下，该器件表现出双向突触可塑性，包括兴奋性和抑制性响应。
关键技术突破：
双向突触可塑性，实现兴奋与抑制的灵活调控
全光控逻辑运算，支持多种逻辑功能
多模态感知，同时完成边缘检测与动态识别
2. 视觉自适应：智能调节如人眼(2)
模仿人眼在不同光照下的自适应能力，东北师范大学徐海阳教授团队研制出基于ZnO/WOx异质结的自供电光电忆阻器。通过Lake Shore探针台的精密测量，研究人员成功验证了器件在复杂光照条件下的自适应特性。
图3：视觉自适应流程：构建了一个仿生视觉自适应神经元，该神经元包含一个光电忆阻器和一个基于NbOx的阈值开关存储器，能够将恒定光刺激直接转换为动态脉冲序列。最后，实现了自适应图像预处理，这促进了在过度曝光图像识别过程中目标识别准确率的提高。
关键技术突破：
光伏效应与电子俘获的协同耦合
仿生神经元的脉冲编码能力
光强自适应的动态调节
3. 彩色视觉感知：突破传统“色盲”局限(3, 4)
神经形态彩色视觉系统的必要前提是具有多波长调制特性的光电忆阻器，可实现区分红、绿、蓝的光响应行为，从而实现彩色图像的感知和记忆功能。
在大多数情况下，光电忆阻器只能响应特定的单色光刺激，大大限制了其在彩色信息识别中的应用。
东北师范大学和吉林大学团队开创了两种互补的技术路径。一方面通过精确控制银纳米颗粒尺寸实现颜色区分，另一方面创新性地使用叶绿素衍生物开发出柔性仿生视觉芯片。Lake Shore探针台为这两种技术路径提供了可靠的测试验证。
图4：人类彩色视觉系统（a）和具有彩色图像识别功能的神经形态视觉系统（b）
3.1 等离激元路线
东北师范大学徐海阳教授团队利用 WOx:Ag 纳米复合材料中的LSPR对Ag纳米粒子的尺寸依赖性，构建了多波段调制的等离激元光电忆阻器。该单一器件实现了可区分的红（R）、绿（G）、蓝（B）光响应行为，从而能够实现彩色图像的感知和记忆功能。该器件能够执行图像传感、颜色辨别和图像识别的功能组合，对彩色图像具有高识别准确率。
图5：基于WOx:Ag纳米复合材料的等离激元光电忆阻器的结构与全光调制特性。
关键技术突破：
利用银纳米颗粒的尺寸效应
实现RGB三原色的精确区分
构建7×7阵列验证成像能力
3.2 生物柔性路线
吉林大学王晓峰教授团队基于叶绿素-a（Chl-a）的多波长光敏特性，构建了ZnChl/D-Glc 纳米复合薄膜柔性光电忆阻器，光电功能层由宽光谱敏感的Chl-a衍生物和具有电子俘获特性的D-Glc组成，在单一器件中实现了可区分的红、绿、蓝光学响应。另外，其机械柔性特征可构建半球形光电忆阻器阵列，实现了宽视场 (FOV) 以模拟人类视网膜。
图6：基于ZnChl:D-Glc的光电忆阻器器件阵列机械柔性和实现的多波长控制突触可塑性。
关键技术突破
基于叶绿素衍生物的宽光谱响应
半球形结构的宽视场成像
91.4%的高精度彩色识别
应用前景广阔，产业化未来可期
这些技术创新在多个领域展现出应用潜力：
智能交通领域
自动驾驶车辆将具备更强大的环境感知能力，特别是在夜间和恶劣天气条件下，大幅提升行车安全。
医疗健康领域
柔性仿生视觉芯片为植入式视觉假体带来新的可能，帮助视障人士重见光明。
工业检测领域
在精密制造和质量控制环节，实现更精准、更高效的视觉检测。
精密测量，为创新保驾护航
Lake Shore系列探针台等精密测量平台为本系列突破性成果提供了稳定环境和技术支持，其具有精准环境控制能力：
支持从极低温到高温的宽温区测试
提供真空与特定气氛环境
确保测试条件的稳定性与一致性
图7：Lake Shore TTPX型号探针台，文献中同款探针台
搭配M81测试仪表，可实现高精度低电平的综合电学测试：
纳安级微弱电流检测能力
光电信号的同步精确测量
多通道高精度锁相测试
图8：M81-SSM同步源测量综合电学测试仪与探针台联用方案。
参考文献
[1]. J. Han et al., Near-Infrared Optoelectronic Memristor with All-Optical Modulation for Microscopic Biological Motion Recognition. Advanced Materials n/a, e10185 (2025).
[2]. Y. Cheng et al., Bioinspired Adaptive Neuron Enabled by Self-powered Optoelectronic Memristor and Threshold Switching Memory for Neuromorphic Visual System. Advanced Science 12, 2417461 (2025).
[3]. Y. Cheng et al., Color Recognition Achieved in Multiwavelength Controlled Plasmonic Optoelectronic Memristor for Neuromorphic Visual System. Advanced Functional Materials 35, 2414404 (2025).
[4]. J. Jiang et al., Retina-Inspired Hemispherical Optoelectronic Memristor Based on Chlorophyll for Neuromorphic Color Vision. Advanced Functional Materials n/a, e11541 (2025).
