示意圖顯示了石墨烯上PQD的生長(zhǎng)，從而形成了G-PQD上層結(jié)構(gòu)和擬議的應(yīng)用。圖片來源：Science Advances（2020）

中央佛羅里達(dá)大學(xué)（UCF）的研究人員正在幫助彌合人腦與機(jī)器思維之間的鴻溝。

在今天發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的封面文章中，UCF研究小組表明，通過將兩種有前途的納米材料結(jié)合到新的超結(jié)構(gòu)中，他們可以制造出一種模仿人類視覺的腦細(xì)胞神經(jīng)通路納米裝置。

UCF納米科學(xué)技術(shù)中心和材料科學(xué)與工程系的副教授杰安·托馬斯（Jayan Thomas）說：“這是開發(fā)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)的第一步，而神經(jīng)形態(tài)計(jì)算機(jī)是可以同時(shí)處理和存儲(chǔ)信息的計(jì)算機(jī)處理器。這可以減少處理時(shí)間以及處理所需的能量。在將來的某個(gè)時(shí)候，本發(fā)明可能有助于制造出像人一樣思考的機(jī)器人。”

托馬斯與UCF納米科學(xué)技術(shù)中心的助理教授塔尼亞·羅伊（Tania Roy）以及UCF納米科學(xué)技術(shù)中心以及材料科學(xué)與工程系的其他人共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。

羅伊說，這項(xiàng)技術(shù)的潛在用途是用于無人機(jī)救援。

羅伊說：“想象一架無人駕駛飛機(jī)，可以在偏遠(yuǎn)的山區(qū)進(jìn)行定位并找到滯留的登山者。如今，由于這些無人機(jī)需要連接到遠(yuǎn)程服務(wù)器以識(shí)別他們用相機(jī)進(jìn)行掃描的內(nèi)容，因此這很困難。我們的設(shè)備使這架無人機(jī)真正具有自主性，因?yàn)樗梢韵袢祟愐粯涌吹健！?/p>

她說：“早期的研究創(chuàng)造了一個(gè)攝像頭，可以捕獲圖像并將其發(fā)送到服務(wù)器進(jìn)行識(shí)別，但是我們的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個(gè)可以同時(shí)模仿眼睛和大腦功能的設(shè)備。我們的設(shè)備可以觀察圖像并當(dāng)場(chǎng)識(shí)別它。”

創(chuàng)新的訣竅是在二維原子厚的納米材料石墨烯上生長(zhǎng)納米級(jí)光敏鈣鈦礦量子點(diǎn)。這種組合使光敏顆粒可以捕獲光，將其轉(zhuǎn)換為電荷，然后將電荷直接轉(zhuǎn)移到石墨烯上。全部過程一步即可完成。整個(gè)過程在極薄的薄膜上進(jìn)行，薄膜的厚度約為人發(fā)厚度的十分之一。

托馬斯實(shí)驗(yàn)室的巴斯卡拉高級(jí)太陽(yáng)能研究員巴蘇杰夫·普拉丹（Basudev Pradhan），現(xiàn)為印度賈坎德邦中央大學(xué)能源工程系助理教授，和羅伊實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員索納利·達(dá)斯（Sonali Das）是該研究的共同作者。

“由于上部結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，它顯示出光輔助記憶效應(yīng)。”普拉丹說。“這類似于人類與視覺相關(guān)的腦細(xì)胞。我們開發(fā)的光電突觸與以大腦為靈感的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算高度相關(guān)。這種超結(jié)構(gòu)必將為超薄光電設(shè)備的開發(fā)帶來新的方向。”

達(dá)斯說，還有潛在的國(guó)防應(yīng)用。

她說：“這些功能也可以用來輔助士兵在戰(zhàn)場(chǎng)上的視野。此外，我們的設(shè)備能夠以極低的功耗探測(cè)、檢測(cè)和重建圖像，從而使其能夠在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中進(jìn)行長(zhǎng)期部署。”

神經(jīng)形態(tài)計(jì)算是科學(xué)家的一個(gè)長(zhǎng)期目標(biāo)，計(jì)算機(jī)可以同時(shí)處理和存儲(chǔ)信息，就像人的大腦視覺一樣。當(dāng)前，計(jì)算機(jī)在單獨(dú)的位置存儲(chǔ)和處理信息，這限制了它們的性能。

為了測(cè)試他們的設(shè)備通過神經(jīng)形態(tài)計(jì)算看到物體的能力，研究人員在面部識(shí)別實(shí)驗(yàn)中使用了該設(shè)備。

托馬斯說：“面部識(shí)別實(shí)驗(yàn)是檢查我們的光電神經(jīng)形態(tài)計(jì)算的初步測(cè)試。由于我們的設(shè)備模仿了與視覺有關(guān)的腦細(xì)胞，因此面部識(shí)別是神經(jīng)形態(tài)構(gòu)建模塊最重要的測(cè)試之一。”

他們發(fā)現(xiàn)他們的設(shè)備能夠成功識(shí)別四個(gè)不同人物的畫像。

研究人員表示，他們計(jì)劃繼續(xù)合作以精細(xì)化該設(shè)備，包括使用它來開發(fā)電路級(jí)系統(tǒng)。