突發的新冠病毒肺炎疫情讓無人機擺脫僅供個人娛樂和植保的”設定用途”，在此次疫情防控中，無人機喊話、照明、噴霧消毒等功能得以大展拳腳，人們對無人機的功用一致稱好。
但是像“無人機在沒有嚮導的情況下飛行到偏遠的山區，並找到受困的登山者”這樣的情景目前還無法實現！因為當下的無人機無法直接識別拍攝到的物體，必須和遠程服務器合作，無人機拍攝到的物品後，需要傳到服務器，然後的等服務器對圖片進行識別。
好消息是：近日，美國中佛羅里達大學（通常簡稱UCF）的研究人員開發了一種模仿用於人類視覺的腦細胞的裝置，可以同時模擬眼睛和大腦的功能，很好地彌合了機器和人思維之間的這段鴻溝，研究結果登上了《Science》旗下期刊《Science Advances》的封面。
突破性嘗試：石墨烯+PQDs，創造超結構
石墨烯由於其寬的光譜帶寬、優異的載流子傳輸特性和非常高的遷移率，以及在環境條件下的出色穩定性和柔韌性，成為電子和光電應用的理想材料。然而，單層石墨烯只吸收2.3%的入射可見光。到目前為止，石墨烯光電探測器的響應度限制在10−2 A W−1左右。這些限制嚴重阻礙了石墨烯在光電子器件和光子器件中的應用。
有機-無機鹵化物鈣鈦礦量子點(PQDs)由於其在可見光範圍內的帶隙可調諧、高的光致發光(PL)量子產率、窄的發射光譜和高的消光係數而被認為是具有吸引力的光電子器件材料。但與石墨烯相比，有機-無機鹵化物鈣鈦礦量子點(PQDs)的電荷傳輸能力較差。
UCF的研究小組創新地採用兩個材料相結合的方式，通過直接在石墨烯單層表面的活性中心上生長PQD，形成新的超結構——石墨烯-PQD(G-PQD)超結構，以增強這兩個部分之間的電荷轉移。設計這種混合超結構的基本原理來自於PQDs吸收光和產生電荷載流子的能力。
這種組合允許光活性粒子捕捉光線，將其轉化為電荷，然後將電荷直接轉移到石墨烯上，所有這些都只需一步就可以完成。整個過程發生在一層非常薄的薄膜上，大約是人類頭髮厚度的萬分之一。
結果，通過在光電晶體管幾何結構中實現這種薄超結構，研究小組在430 nm處獲得了1.4×108A W−1的光響應率和4.72×1015Jones的比探測率，這是迄今為止報道的同類器件中最好的響應率和探測率，對開發用於高速通信、傳感、超靈敏相機以及高分辨率成像和顯示的高效光電材料很有前途。
此外，研究小組發現石墨烯-PQD(G-PQD)超結構表現為光子突觸，每穗能耗為36.75pJ，模仿了其生物等效的關鍵特徵，具有獨特的光學增強和電習服功能，讓研究人員能夠構建用於神經形態結構的硬件單元以模仿人腦功能，這對於模式識別和其相關應用至關重要。
研究成員談超結構G-PQD的應用
UCF納米科學技術中心和材料科學與工程系副教授Jayan Thomas表示：“這是向開發神經形態計算機（可以同時處理和記憶信息的計算機處理器）邁出的一小步，可以減少計算機的信息處理時間以及處理所需的能量。在未來的某個時刻，這項發明可能有助於製造出可以像人類一樣思考的機器人。”
UCF納米科學技術中心助理教授Tania Roy表示：“這項技術的一個潛在用途是用於無人機輔助救援。早期的研究者們發明了攝像頭，用於捕捉圖像並將其發送到服務器進行識別，但我們團隊創造的這種單一的裝置，可以同時模擬眼睛和大腦的功能，可以觀察圖像，並當場識別，使無人機真正具有自主性，因為它可以像人類一樣看到。”
這項研究的第一作者之一Basudev Pradhan（曾是Thomas實驗室的巴斯卡拉高級太陽能研究員，現為印度賈坎德邦中央大學能源工程系助理教授）說：“超結構顯示出光輔助記憶效應，類似於人類與視覺相關的腦細胞。我們開發的光電突觸與以大腦為靈感的神經形態計算高度相關。這種超結構必將為超薄光電設備的開發帶來新的方向。”
這項研究的另一第一作者——Sonali Das（Roy實驗室的博士後研究員）說：“這一裝置還有潛在的國防應用，可用來輔助士兵在戰場上的視野。此外，該裝置能夠以極低的功耗探測、檢測和重建圖像，從而使其能夠在現場應用中進行長期部署。”
面部識別考驗
神經形態計算是科學家的一個長期目標，計算機可以同時處理和存儲信息，就像人的大腦視覺一樣。當前，計算機在單獨的位置存儲和處理信息，這限制了它們的性能。比如無人機，看的是機器，識別的是遠程的服務器上工作的人。
為了測試這一超機構裝置通過神經形態計算看到物體的能力，研究人員用該裝置在面部識別上進行試驗。
Thomas表示：“面部識別實驗是檢查我們的光電神經形態計算的初步測試。由於我們的設備模仿了與視覺有關的腦細胞，因此面部識別是神經形態構建模塊最重要的測試之一。”
考驗通過！研究小組開發的超結構裝置成功識別上圖中4個不同人物的畫像。
研究人員表示，他們計劃繼續合作以精細化該裝置，包括使用它來開發電路級系統，同時期待G-PQD超結構將為高效光電子器件的發展提供新的方向。
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