第一作者：朱力
通讯作者：朱力、刘奥、于志浩
通讯单位：南京邮电大学、电子科技大学
研究背景：
视觉感知在整个人类感觉系统中起着主导作用，是外部信息的主要输入渠道，约占所获取信息总量的80%。它在感知的各个方面都有不可替代的作用，包括颜色感知、空间认知、运动协调和社会互动。在视觉感知的众多功能中，色彩感知尤为重要。它不仅丰富了我们识别物体的能力，还增强了我们对场景的深度感知和评估。颜色识别，即感知光谱中不同波长的光的能力，是人类视觉系统的基本功能。这种色觉能力是通过视网膜中的视锥细胞实现的，视锥细胞对不同波长的光很敏感。这些细胞将光信号转化为神经电信号，然后传输到大脑进行进一步处理。在实际应用中，彩色视觉的发展对图像识别、计算机视觉和人工智能等领域具有深远的意义。在这些领域，准确捕捉和理解颜色信息使计算机能够实现更精细、更精确的视觉感知，从而增强系统在复杂和动态的现实世界环境中的适应性和适用性。因此，提高感知和利用颜色信息的能力，以及更深入、更全面地推广颜色视觉感知的技术应用，对于进一步推进机器视觉和人工智能的发展至关重要。
成果简介：
南京邮电大学于志浩教授、朱力博士联合电子科技大学刘奥教授等报道了基于多光谱感知的新型P型TeSeOx突触晶体管及其神经形态视觉多级疼痛感受器。该器件可以对可见光（405 532 655 nm）响应，利用可见光做为脉冲刺激，成功模拟了重要的突触特征，如兴奋性突触后电流（EPSC）、多脉冲易化和从短期记忆到长期记忆的过渡。此外，基于器件阵列进一步实现了三色光下记忆、遗忘和再记忆行为，以及图像记忆功能。在颜色视觉感知记忆的基础上，利用光信号作为疼痛源，TeSeOx突触晶体管作为疼痛感受器，实现了疼痛感知的重要功能，包括“阈值”、“不适应”、“放松”和“伤害性敏化”。更重要的是，我们利用三色光刺激下的响应度区分，实现了多级疼痛感知，并进一步利用光电协同调控达到镇痛的作用。因此，应用TeSeOx多光谱突触器件模拟视觉痛觉感受器不仅可以感知来自外部环境的视觉刺激，而且在多级疼痛感知和损伤预防方面具有显著的潜力。在未来，这些结果可能有助于推动机器视觉和智能警报芯片等领域的发展。
图文导读：
图1. 人类视觉感知系统示意图，图中的光信息被视网膜的光感受器感知，然后传递给视觉皮层的神经元，最后传递到大脑，说明视觉信息处理路径。以及多光谱感知TeSeOx光电突触晶体管阵列示意图。
图2. a) TeSeOx光电突触器件的结构示意图。 b) TeSeOx薄膜的AFM图像和XRD图谱。c) TeSeOx薄膜的透射光谱和从吸收光谱中提取的光学带隙。d-f) 器件分别在405、532和655 nm光照下的转移特性曲线。
图3. a) 人类视觉系统示意图，包括功能性视网膜细胞（视杆状细胞、视锥状细胞和双极视网膜细胞）。b-d) 405 nm光脉冲刺激下，不同脉冲宽度、脉冲个数和光强度下触发的EPSC值。e-g) 532 nm光脉冲刺激下，不同脉冲宽度、脉冲个数和光强度下触发的EPSC值。h-j) 655 nm光脉冲刺激下，不同脉冲宽度、脉冲个数和光强度下触发的EPSC值。
图4. a) 人类大脑中学习和记忆过程的说明，显示了从短期记忆到长期记忆的转变。b) 三色光刺激下的记忆、遗忘和再记忆曲线。c) 图像记忆阵列示意图（不同的颜色代表暴露在不同波长的光下的区域）。d) 4×4阵列中的多色识别和记忆。
图5. a) 受伤和未受伤条件下，随着刺激强度增加的异常疼痛和疼痛敏感的特征示意图。b、c) 405 nm光刺激下的“疼痛异常”和“疼痛敏化”的特征。 d) 405、532和655 nm光刺激下痛觉感受器中的“不适应”行为。e) 405 nm光刺激下的“疼痛敏化”和“放松”过程。
图6. a) 强光造成的眼睛损伤示意图。b-d) 405 nm光对眼睛造成的II级损伤的过程。e-g) 532 nm光对眼睛造成的I级损伤的过程。h-j) 655 nm光对眼睛造成的0级损伤的过程。
4. 结论：
我们构建了一种新型的p型氧化物TeSeOx多光谱传感突触晶体管。基于该器件具有多波长（405、532、655 nm）的传感和记忆能力，实现以下特色工作：1. 基于TeSeOx半导体的本征特性，其窄带隙允许可见光响应。利用氧化物半导体的持久光电导特性可以将光信号转换为存储的电信号，成功实现了三色可见光下的记忆存储和重要突触功能。2. 基于器件阵列实现人脑学习、遗忘和再学习行为和三色图像识别功能。3. 以光信号作为疼痛刺激源，TeSeOx突触晶体管作为疼痛感受器，实现了疼痛感知的重要功能，包括“阈值”、“不适应”、“放松”和“伤害性敏化”。4. 利用器件对不同波长光刺激的响应差异，可以识别和分类不同等级疼痛水平下的视觉信号，实现了多级疼痛感知功能。基于新型p型TeSeOx光电突触晶体管的研究无疑为未来多功能视觉感知芯片和机器视觉领域的发展打下坚实的基础。随着这些技术的进一步发展和应用，未来的智能设备将能够更加精准地感知和处理视觉信息，为人类社会带来更多便利和安全。
论文信息：
Bio-Inspired P-type TeSeOx Synaptic Transistor Based on Multispectral Sensing for Neuromorphic Visual Multilevel Nociceptor
Li Zhu*, Sixian Li, Feng Zhang, Xiang Wan, Chee Leong Tan, Huabin Sun, Shancheng Yan, Yong Xu, Ao Liu*, Zhihao Yu*
Small Methods
DOI: 10.1002/smtd.202401543
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