由香港城市大学（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仿人脑，该系统成功执行了数据密集型认知任务。他们的实验结果可以为下一代人工智能（AI）应用提供有希望的设备系统。

研究小组由城大材料科学与工程系副主任兼教授何国贤教授领导。他们的发现已发表在科学杂志《科学进展》上，标题为“由氧化物超晶格纳米线中的准二维电子气实现的人工视觉系统”。

随着用于数字计算的半导体技术的进步显示出停滞的迹象，神经形态（类脑）计算系统已被视为未来的替代方案之一。科学家一直在尝试开发下一代先进的人工智能计算机，该计算机可以像人脑一样轻便，节能，适应性强。

何教授说：“不幸的是，在现有的人工突触中通过超低功率方式有效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具有挑战性。”

 提高人工突触的能效

人工突触是突触的人工形式，即两个神经元通过电信号在大脑中相互交流的间隙。它是一种模仿大脑有效的神经信号传输和记忆形成过程的设备。

为了提高人工突触的能量效率，何教授的研究团队首次将准二维电子气（准2DEG）引入人工神经形态系统。通过利用他们开发的氧化物超晶格纳米线（一种具有吸引人的电性能的半导体），他们设计了准2DEG光子突触设备，实现了创纪录的低能耗，每个突触事件的能量消耗低于飞秒焦耳（0.7fJ） 。与人脑中的突触相比，这意味着能耗降低了93％。

“我们的实验已经证明，基于我们的光子突触的人工视觉系统可以以超低功率的方式同时执行光检测，类似于大脑的处理和记忆功能。我们相信我们的发现可以为建立人工神经形态系统提供有希望的策略。未来在仿生设备，电子眼和多功能机器人中的应用。”何教授说。

 类似于突触中的电导变化

他解释说，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。

在暴露于光脉冲时，在吸收到纳米线表面上的环境中的氧分子与氧化物超晶格纳米线内部的二维电子气中的自由电子之间引发了一系列反应。因此，光子突触的电导将改变。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，光子突触中的电导变化类似于生物突触中的电导变化。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，并且纳米线壳可以促进存储功能。因此，无需在图像传感芯片中构造额外的存储模块来存储电荷。因此，我们的设备可以节省能源。”

利用这种准2DEG光子突触，他们建立了一个人工视觉系统，可以准确有效地检测出图案化的光刺激并“记忆”刺激的形状一个小时。何教授说：“就像我们的大脑会记住一段时间后看到的一样。”

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。

何教授是该论文的通讯作者。共同第一作者是来自城市大学MSE的博士生Meng You和Li Fangzhou。其他团队成员包括来自城市大学的卜秀明博士，叶森坡博士，康晓林，魏仁杰，李大盼和王飞。其他合作研究人员来自中国电子科技大学，九州大学和东京大学。

这项研究获得了城大，香港特别行政区研究资助局，国家自然科学基金委员会和深圳市科学技术创新委员会的资助。