由中国香港城市大学（CityU）领导的一项联合研究建立了一个超低功耗的人工视觉系统来模拟人脑，成功地执行了数据密集型认知任务。他们的实验结果为下一代人工智能应用提供了一个有前途的设备系统。相关工作发表在《Science Advances》上。
图1，基于聚酰亚胺基底的柔性准2DEG光子突触装置的照片
人工智能技术的快速发展点燃了对通过类似大脑的视觉系统准确感知和理解来自外部环境的光信号的新兴需求，但现有的人工突触中以超低功率的方式有效模拟大脑的神经可塑性仍然具有挑战性。随着半导体技术在数字计算中的应用出现停滞迹象，神经形态（类大脑）计算系统被认为是未来的替代方案之一。科学家们一直在努力开发下一代先进的人工智能计算机，这种计算机可以像人脑一样轻便、节能、适应性强。
然而，“不幸的是，在现有的人工突触中，通过超低功耗的方式有效地模拟大脑的神经可塑性——改变其神经网络连接或重新连接自身的能力——仍然是一个挑战，”Ho教授说。
提高人工突触的能量效率
人工突触是突触的一种人工形式，是两个神经元通过电信号在大脑中相互交流的缝隙。它是一种模拟大脑高效神经信号传输和记忆形成过程的装置。
为了提高人工突触的能量效率，Ho教授的研究小组首次将准二维电子气（quasi-2DEGs）引入人工神经形态系统，建立了一个模拟人脑的人工视觉系统。这种光子突触基于InGaO3(ZnO)3纳米线（NW）表面上的氧吸附-解吸动力学和超晶格核心中的强载流子量子限制效应的共存，以类似于生物突触中的Ca2+离子通量和神经递质释放动力学。他们首先介绍了超晶格NWs的结构和电学特性，突出了其导带偏移效应、相应的载流子量子限制及高载流子迁移率。基于这些特性，他们构建了基于InGaO3(ZnO)3超晶格NW阵列的光子突触并介绍了其工作机理。为了证明其对于柔性神经形态系统的可能实现，研究人员将整个器件制造过程转移到聚酰亚胺衬底上，并阐述了其类脑功能。
通过利用他们开发的氧化物超晶格纳米线设计出准2DEG光子突触装置，这种装置的每一个突触事件的能量消耗达到了创纪录的低至亚毫焦耳（0.7fJ）。这意味着与人脑中的突触相比，能量消耗减少了93%。最后，基于这些类脑功能，研究人员搭建了准2DEG人工视觉系统，并通过实验展示了其成像、数据处理和记忆能力。
类似于突触中的电导变化
Ho 教授解释说，当电子被限制在两种不同材料之间的二维界面时，就会产生二维电子气。由于没有电子-电子相互作用和电子-离子相互作用，因此电子在界面中自由移动。
在光脉冲作用下，纳米线表面吸附的氧分子与氧化物超晶格纳米线内部二维电子气中的自由电子发生了一系列反应。因此，光子突触的电导会发生变化。鉴于超晶格纳米线具有出色的电荷载流子迁移率和对光刺激的敏感性，光子突触中电导变化类似于生物突触中的电导。因此，准2DEG光子突触可以模拟人脑中的神经元如何传输和记忆信号。
光电检测和存储功能的组合
“超晶格纳米线材料的特殊性能使我们的突触同时具有光电检测和记忆功能。简单地说，纳米线超晶格核可以以高灵敏度的方式检测光刺激，纳米线壳层促进了记忆功能，因此，我们的设备可以节省能源。” Ho教授解释说。他补充说，该团队合成光子突触和人工视觉系统的方式不需要复杂的设备。而且这些设备可以以可扩展且低成本的方式在柔性塑料上制成。
这项研究工作有可能与从可穿戴人工智能系统到个性化医疗保健的其他研究领域融合在一起，并为在仿生器件、电子眼、多功能机器人等领域应用准2DEG构建人工神经形态系统提供了一种有前景的器件方案以及为下一代人工智能（AI）应用提供有希望的设备系统。
