機器視覺和機器人應用的攝像頭本質(zhì)上是一種模仿人眼的仿生設(shè)備。這些應用要求先進的彩色成像系統(tǒng)具有高分辨率、大視場（FoV）、緊湊設(shè)計、重量輕、能耗低等特點。

傳統(tǒng)基于CCD/CMOS圖像傳感器的成像系統(tǒng)存在視場相對較小、體積大、設(shè)計復雜以及功耗問題，尤其是搭配機械調(diào)諧光學元件的情況下。近年，具有曲面圖像傳感器視網(wǎng)膜的球形仿生眼成為研究熱點。

這類器件具有很多誘人的特點，例如簡化的透鏡設(shè)計、低像差、寬視場以及類似生物眼的外觀，使其特別適合人形機器人。不過，現(xiàn)有的曲面視網(wǎng)膜球形仿生眼通常只有固定透鏡，并且只能捕捉單色圖像。固定透鏡無法拍攝不同距離的物體。

另一方面，傳統(tǒng)CCD/CMOS圖像傳感器的彩色成像功能是通過使用色彩濾波陣列（CFA）來實現(xiàn)的，這增加了器件制造的復雜性，并導致光學損耗。典型吸收性有機染料濾波器的紫外和高溫穩(wěn)定性較差，而等離子體色彩濾波器的透射率較低。在半球形幾何形狀上制造濾波器陣列更具挑戰(zhàn)性，并且大多數(shù)傳統(tǒng)微電子制造方法無法適用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，香港科技大學的研究團隊展示了一種新穎的仿生眼設(shè)計，它具有自適應光學元件和半球形納米線陣列視網(wǎng)膜，具有無濾波器的彩色成像和神經(jīng)形態(tài)預處理能力。其人工視網(wǎng)膜的主要光學傳感功能，通過利用半球形全無機CsPbI3納米線陣列來實現(xiàn)，該陣列可以在沒有外部偏置的情況下產(chǎn)生光電流，從而實現(xiàn)自供電工作模式。

有趣的是，在一種精心設(shè)計的混合納米結(jié)構(gòu)中，發(fā)現(xiàn)了電解質(zhì)輔助的顏色依賴性雙向突觸光響應。受色敏錐細胞和跟隨神經(jīng)元垂直排列的啟發(fā)，該器件結(jié)構(gòu)在CsPbI3/NiO核殼納米線的頂部垂直集成了填充有離子液體的SnO2/NiO雙殼納米管。

研究發(fā)現(xiàn)，在較短（藍色）或較長（綠色和紅色）波長照明下，由光空穴注入引起的NiO正環(huán)柵效應可以部分或完全被電解質(zhì)平衡。因此，該器件可以分別在較短或較長波長的照明下產(chǎn)生正光電流或負光電流。載流子可以在SnO2/NiO結(jié)構(gòu)中積累，從而產(chǎn)生雙向突觸光響應。這種對顏色敏感的雙向光響應為視網(wǎng)膜注入了獨特的無濾波器的彩色成像功能。

該器件基于突觸行為的神經(jīng)形態(tài)預處理能力，加上自供電功能，有效降低了系統(tǒng)的能耗。此外，可以通過很小的外部偏置來調(diào)整每個像素的色彩選擇性，以檢測更準確的顏色信息。研究人員證明該器件能夠為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）分類重建高保真的彩色圖像。

此外，研究人員構(gòu)建的仿生眼通過集成人工晶狀體和基于液晶的電子虹膜整合了自適應光學元件。人工晶狀體可以切換焦距以檢測不同距離的物體，電子虹膜可以控制到達視網(wǎng)膜的光量，從而增強動態(tài)范圍。與目前已有報道的傳統(tǒng)機械控制光學元件相比，這兩種光學元件都可以通過電場方便地進行調(diào)諧，速度更快、結(jié)構(gòu)緊湊且能效更高。所有這些獨特功能的結(jié)合，使其仿生眼在結(jié)構(gòu)和功能上可以比肩生物對應體。

仿生眼設(shè)計

仿生眼的表征和神經(jīng)形態(tài)圖像傳感演示

成像演示及自適應光學元件

總結(jié)來說，在這項成果中，研究人員設(shè)計并實現(xiàn)了一種獨特的半球形仿生視網(wǎng)膜和球形仿生眼，其具有先前研究中缺乏的色彩視覺、光學適應性和能效特性。這種具有無濾波器的彩色視覺、神經(jīng)形態(tài)預處理和自適應光學的仿生眼，提供了一種新范式，整合了類似生物眼的結(jié)構(gòu)和功能特征，展現(xiàn)了進一步優(yōu)化并探索仿生人工視覺系統(tǒng)方面的潛力，進而改善機器視覺和機器人的效率。

審核編輯：劉清