在国家自然科学基金项目（批准号：61625402、61921005、61974176）等资助下，南京大学缪峰团队在二维材料类脑视觉传感器研究方面取得进展。研究成果以“栅压可调的范德华异质结用于可重构的神经网络视觉传感器（Gate-tunable van der Waals heterostructure for reconfigurable neural network vision sensor）”为题，于2020年6月24日在线发表在《科学·进展》（Science Advances）上。论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/6/26/eaba6173。
人类大脑处理的信息大多通过眼睛获取，人眼能够以极低的功耗同步探测和处理信息，其强大的信息处理能力很大程度上依赖于视网膜的结构和功能。视网膜中的细胞主要是感光细胞、双极性细胞等，它们呈现出垂直分层分布的结构（图a）。光透过瞳孔入射到视网膜上后，感光细胞将入射光转换为电学信号，流经双极性细胞，通过双极性细胞的生物特性对电学信息进行预处理后，图像信息仅保留其主要特征，再传输至大脑皮层进行进一步的图像处理和理解。构建能够模拟人眼结构、具备同步的信息探测和处理功能的类脑视觉传感器是人们一直追求的梦想，对智能工业、自动驾驶、智能安防等领域的发展至关重要。然而，传统的机器视觉系统需要先进行信息探测然后再对其处理，所使用的图像传感器在探测目标图像的同时会产生大量冗余信息，这些冗余信息也会通过有限的带宽传输至计算机或者图像处理器进行处理和分析，从而导致较大的时间延迟和较高的功耗。如何使机器视觉系统能够像人类视觉系统那样，既能实现信息探测又能进行信息预处理，是一项挑战性研究。
针对上述挑战，科研团队提出可以通过“原子乐高”的方式搭建基于二维材料垂直异质结的类脑视觉传感器。这些垂直结构不仅能够模仿视网膜的垂直分层结构，而且异质结中包含的不同二维材料可被用来模拟视网膜中不同细胞的功能。在实验中，他们首先通过将机械剥离的薄层硒化钨、氮化硼以及氧化铝制备成垂直异质结器件，发现该器件在无背栅或者施加正背栅电压时，呈现出类似于双极性细胞的正光响应特征；当施加负背栅电压时，器件则呈现出与双极性细胞相类似的负响应特征（图b）。通过一系列的对比实验，发现器件的负光学响应来源于光诱发带电杂质产生的电场屏蔽效应。利用栅压调节器件的光响应特征，可以模拟视网膜中感光细胞和双极性细胞的生物功能，制备的器件在响应时间和功耗方面的性能接近人类视网膜水平。科研团队进一步将垂直异质结器件集成为 的小型阵列，将图像处理中常用的数学卷积核映射至该阵列中，展示了包括边缘增强、图像风格化、图像强度校正等在内的可重构图像信息处理功能（图c），表明这种类脑视觉传感器能够直接对图片信息进行处理。此外，通过将器件电导作为神经网络的权值，背栅的调节变化作为更新神经网络权值的一种手段，器件阵列还可以执行神经网络的功能。研究团队采用软件辅助硬件的训练方法，实现了对输入图像“N”、“ J”、“U”字母的快速识别（图d）。
该研究从原理上证明，可以利用范德华异质结的特性来模拟人类视网膜的结构和功能，该思路有望用来实现新型类脑视觉芯片。
（a）视网膜的垂直分层结构及双极性细胞对于光刺激的响应特征；
（b）范德华垂直异质结器件及栅压可调的光学响应特征；
（c）可重构的类脑视觉传感器及其对南京大学校徽图片进行不同的处理方式；
（d）基于范德华异质结的类脑视觉传感器用作神经网络，对“N”、“J”、“U”三类字母的平均识别结果与训练次数的关系；
插图：神经网络训练之后，器件中背栅电压的分布情况。
图. 二维材料垂直异质结类脑视觉传感器及应用