據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，美國(guó)佐治亞州立大學(xué)（Georgia State University）的研究人員成功設(shè)計(jì)出一款新型人工視覺(jué)傳感器，該傳感器基于獨(dú)特的垂直堆疊結(jié)構(gòu)，能夠在微觀層面上實(shí)現(xiàn)更深層次的顏色識(shí)別和可擴(kuò)展性。這項(xiàng)研究成果已在頂級(jí)期刊ACS Nano上發(fā)表。

“我們研究的最終目標(biāo)是為微型機(jī)器人開(kāi)發(fā)微型相機(jī)，目前的工作僅僅是個(gè)開(kāi)端。”該項(xiàng)研究工作的負(fù)責(zé)人、物理學(xué)助理教授Sidong Lei說(shuō)道，“我們研究了構(gòu)建這種新型圖像傳感器的基本原理和可行性，重點(diǎn)是小型化?！?br />
研究人員利用納米合成技術(shù)，成功模擬了該圖像傳感器的生化（biochemical）過(guò)程，這項(xiàng)研究工作為仿生人工視覺(jué)器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

“眾所周知，在研究、工業(yè)、醫(yī)療以及日常生活中，超過(guò)80%的信息是通過(guò)視覺(jué)捕獲的?！盨idong Lei教授說(shuō)道，“我們研究的最終目標(biāo)是為微型機(jī)器人開(kāi)發(fā)一種微型相機(jī)，它可以進(jìn)入到當(dāng)前技術(shù)手段無(wú)法觸及的狹窄空間，將為醫(yī)療診斷、環(huán)境研究、制造、考古等領(lǐng)域開(kāi)辟新的應(yīng)用前景。”

Sidong Lei教授研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的這款仿生“電子眼”推進(jìn)了最關(guān)鍵的視覺(jué)功能——顏色識(shí)別。在當(dāng)前的研究中，由于主流顏色傳感器的尺寸難以壓縮，顏色識(shí)別功能常常被忽略。傳統(tǒng)的顏色傳感器通常采用橫向顏色傳感通道布局，占用了大量物理空間，且顏色檢測(cè)精度較低。

在這項(xiàng)研究工作中，研究人員開(kāi)發(fā)了一種獨(dú)特的堆疊技術(shù)，為硬件設(shè)計(jì)提供了一種新穎的方法。Sidong Lei教授指出，基于范德華半導(dǎo)體的垂直顏色感知結(jié)構(gòu)能夠提供精準(zhǔn)的顏色識(shí)別能力，可以簡(jiǎn)化光學(xué)透鏡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而減小人工視覺(jué)系統(tǒng)的尺寸。

Sidong Lei教授研究團(tuán)隊(duì)的一名研究生Ningxin Li稱，正是最近的堆疊技術(shù)進(jìn)步使得該項(xiàng)新設(shè)計(jì)成為可能。

基于范德華半導(dǎo)體的垂直顏色傳感器的原子力顯微鏡（AFM）圖像

“在我們這款圖像傳感器架構(gòu)中所實(shí)現(xiàn)的新功能，完全取決于近年來(lái)范德華半導(dǎo)體的快速發(fā)展?！盢ingxin Li說(shuō)，“與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料（例如硅）相比，我們可以精確地控制范德華半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)、厚度和其它關(guān)鍵參數(shù)，以感測(cè)紅、綠、藍(lán)三種顏色?！?br />
基于范德華半導(dǎo)體的垂直顏色傳感器（vdW-Ss）代表了一種新興材料應(yīng)用，其中單個(gè)原子層通過(guò)弱范德華力粘合，這種獨(dú)特的材料結(jié)構(gòu)為發(fā)現(xiàn)新物理場(chǎng)和設(shè)計(jì)下一代視覺(jué)傳感器提供了關(guān)鍵的路徑。

“得益于這些新型半導(dǎo)體材料的超薄、機(jī)械柔韌性和化學(xué)穩(wěn)定性，我們能以任意順序?qū)ζ溥M(jìn)行堆疊。因此，實(shí)際上我們引入了一種三維集成策略，與當(dāng)前的平面微電子布局相比，更高的集成度將成為推動(dòng)視覺(jué)傳感器尺寸小型化的主要原因。”Ningxin Li繼續(xù)說(shuō)道。

研究人員目前正在向喬治亞州技術(shù)轉(zhuǎn)讓和商業(yè)化辦公室（OTTC）申請(qǐng)?jiān)擁?xiàng)設(shè)計(jì)專利。OTTC分析道，這項(xiàng)設(shè)計(jì)將會(huì)吸引一些行業(yè)合作伙伴的興趣?！霸撛O(shè)計(jì)方式有望解決當(dāng)前傳感器的一些主要缺陷。”O(jiān)TTC的主任Cliff Michaels說(shuō)，“隨著納米技術(shù)的進(jìn)步和器件小型化的發(fā)展，這些尺寸更小、精度更高的顏色傳感器將有更大應(yīng)用價(jià)值。”

研究人員認(rèn)為，該項(xiàng)技術(shù)可能還有更廣闊的應(yīng)用前景，未來(lái)有望為視力受損人員提供幫助。

“這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于仿生‘電子眼’和其它神經(jīng)形態(tài)假肢設(shè)備的發(fā)展至關(guān)重要?！盢ingxin Li說(shuō)，“高質(zhì)量的色彩感知和圖像識(shí)別功能，未來(lái)有可能為視力障礙人士帶來(lái)豐富多彩的物品感知能力?！?br />
接下來(lái)，Sidong Lei教授研究團(tuán)隊(duì)將圍繞該項(xiàng)技術(shù)繼續(xù)深入研究，以推動(dòng)這些前沿技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

“雖然我們的研究已向前邁出了一大步，但未來(lái)仍然面臨著科學(xué)和技術(shù)的挑戰(zhàn)，例如晶圓級(jí)集成問(wèn)題。商業(yè)圖像傳感器可以集成數(shù)百萬(wàn)像素來(lái)提供高清圖像，但我們的傳感器原型目前還無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種集成?！盨idong Lei教授繼續(xù)說(shuō)道，“這種大規(guī)模范德華半導(dǎo)體器件的集成，對(duì)于整個(gè)科研界而言都是一項(xiàng)關(guān)鍵挑戰(zhàn)。我們的研究團(tuán)隊(duì)也正在與各方合作者共同努力，以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵問(wèn)題的突破?！?br />
論文信息：

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c09875

審核編輯 ：李倩