视觉感知是人与自然界最为重要的交互方式之一, 提供了人体80%以上的外部环境信息. 基于此, 视觉仿生成为智能感知材料与器件研究中的前沿方向. 过去30年, 基于有机半导体的光电传感与感知器件历经多代发展, 创新了光刺激(强度、色度等)的高灵敏度和选择性传感检测, 并拓展了复杂的类生物视觉信号识别、学习与处理功能, 已经成为新兴的跨学科领域. 本文从单元光敏感的有机光电器件和多功能集成, 介绍面向视觉感知功能化的有机光探测器、有机光电突触和有机适应型器件的构建策略和研究进展, 并从柔性矩阵化和功能集成的视觉信号成像、学习与编码概述了新一代有机智能感知电子器件的仿生应用探索.
感觉系统作为神经系统中处理感觉信息的一部分, 通过感觉细胞或感觉器官实现对外界的感知. 研究表明, 人类视觉接收信息的比例占80%,是人体感知外界信息的重要途径. 智能视觉感知技术模仿生物视觉感知机制, 结合光感受器和智能算法, 实现对周围环境的感知、理解和预测, 进而进行有针对性的决策. 随着人工智能技术的进步, 利用视觉感知器件来增强人工智能的能力, 尤其是以更简洁、高效、节能的方式处理环境中的光信息, 已成为一个热门研究领域. 这一领域融合了化学、材料科学、电子学、生物学和计算机科学等多学科知识, 是一个新兴且跨学科的研究方向, 对具身智能、自动驾驶、脑机接口、远程医疗和虚拟现实/增强现实技术(VR/AR)等领域的发展至关重要.
有机半导体具有与生物体相似的化学元素, 通过分子间范德华力、氢键等弱作用力结合, 其分子价键和分子聚集体与生命体多级结构相似, 展现了良好的生物相容性. 自20世纪80年代以来, 有机半导体的快速起步推动了有机发光二极管(OLED)、有机太阳能电池(OPV)、有机场效应晶体管(OFET)等多功能有机光电器件的发展. 此外, 有机光电材料与器件具有质轻、柔性等特点, 优异的机械性能使其易于制备与集成可穿戴和可贴附的柔性设备. 其次, 有机光电器件可以通过溶液加工等低成本方法实现大面积制备, 对于商业化和市场普及至关重要. 更重要的是, 有机光电器件在光谱响应方面具有高度的可调性. 通过分子设计, 可以精确调控其对特定波长的光敏感性, 有利于开发高精度的智能视觉感知系统. 这种特性使它们在诸如色彩检测、图像捕捉等光学感知与成像方面显示出巨大的应用潜力. 此外, 有机光电器件的响应速度快, 能够实时捕捉动态图像, 这对于如自动驾驶车辆的环境感知一样需要快速反应的应用场景是一个巨大的优势. 结合人工智能(AI)和机器学习技术, 有机光电器件不仅能够捕捉图像, 还能对图像进行初步的处理和分析, 提高整个系统的智能化水平. 基于上述独特的物理和化学特性, 有机光电器件成为未来智能视觉感知技术的重要组成部分. 随着材料设计合成、新型器件开发和器件加工技术的不断进步, 视觉感知功能化的有机光电材料与器件将为人类生活和工业发展带来革命性的改变.
本文以面向视觉感知的有机材料与器件为导向, 从生物视觉系统的核心过程出发, 概述了具有视觉信号接收、转换与编码以及神经信号处理功能的有机光电器件. 结合功能分子设计、界面电荷转移调控和信号转换方式, 重点从有机光探测器、有机光突触和适应晶体管方面阐述了基于有机半导体的器件视觉感知功能化设计策略. 最后, 本文分析了有机光电器件在仿生集成、视觉信号识别与编码方面的应用进展, 展望该领域的未来研究机遇与挑战.
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葛宇涛, 王薇, 贺紫晗, 刘力瑶, 张凤娇, 狄重安. 视觉感知功能化有机光电器件研究进展. 中国科学: 化学, 2024, DOI:10.1360/SSC-2024-0015
