【研究背景】
人类所感知的外界信息中约80%来自视觉。人类视觉系统具有高效的记忆和学习能力，可以实时感知外界的光学信号，并具备保护自身免受过度光照损伤的能力。眼睛捕获的光学信息能够迅速传输到视觉皮层，在复杂的神经网络中进行存储和处理。包括光的波长、强度、数量和频率在内的多种因素会影响突触之间的连接效果，进而对整体的神经网络产生影响。此外，视觉系统能够对外部光照表现出适应性反应，如瞳孔光反射和角膜反射。瞳孔光反射是动态调整瞳孔直径，以响应环境光强度的变化，从而调节进入眼睛的光线量，保护视网膜免受损伤。角膜反射表现为“眨眼”，阻挡光线进入眼睛，进一步保护眼睛免受强烈的照射。这些适应性行为受光源刺激触发的突触权重更新机制所控制。
近年来，能够将光信号转换为记忆电流信号的光电突触器件得到了快速发展，由于集成了传感、存储和计算功能，广泛应用于仿真人工视觉系统中。然而，它们通常需要额外的电子元件来模拟生理反应，如瞳孔或角膜反射，这会导致复杂的电路设计和高能耗。
【文章简介】
近日，课题组在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表题为“All-Photonic Synapses for Biomimetic Ocular System”的研究论文。该工作首先通过简单的分子工程对全光突触性能进行调节，获得创纪录的430%的双脉冲易化值（PPF）。接着，制备的大面积（400 cm2）、高均一性（96%）突触器件成功模拟了视觉系统的基本功能（存内感知、存内计算和视觉反射）。全光突触具有直接将光信号转换为记忆光学参数（如透过率和发光强度）的能力，在人工视觉系统中，这不仅可以简化电路，还能够降低电能耗。
图1. 仿生视觉系统
要点一：构效关系及突触性能调控
图2. 分子结构与性能表征
材料中甲基的不同位置会产生不同程度的位阻，导致不同程度的扭曲构象，从而导致HOMO能级的顺序为:D1<D2<D3<D4。同时，经紫外光照射后的顺磁信号强度依次为D1<D2<D3<D4，说明在相同条件下，四种分子中D4产生的光诱导自由基最多。此外，DFT计算还证明了D4具有最小的生成自由基的能垒。因此，在实验和理论两方面，我们成功地建立了分子结构（甲基的位置）和突触性能（PPF）之间的关系。
要点二：获得记录性的PPF值
图3. 全光突触可塑性与记忆过程
在生物突触中，视觉信息的实时识别或解码是通过突触后神经元的双脉冲易化（PPF）行为来反映的。经过调控后的最佳分子D4展现出430%的PPF值，这是目前有机光突触中的最高值。
要点三：视觉系统基本功能的模拟
图4. 视觉系统功能模拟
制备的大面积（400 cm2）、高均一性（96%）突触器件先对一维数字信息转换、二维图像记忆实现了视觉系统的存内感知功能。后利用量子神经网络（QCNN）对图片分类识别实现了存内计算功能。最后将单片机与全光突触结合制备的视觉系统实现了角膜反射与瞳孔光反射功能。
课题组博士生章垠程为论文的第一作者，博士后陈皓为共同一作，黄辉教授、蔡芸皓副教授以及陈皓博士为论文的共同通讯作者。作者感谢国家自然科学基金委、中国科学院等相关项目的资助。
【文章链接】
All-Photonic Synapses for Biomimetic Ocular System. Adv. Funct. Mater 2024, e202409419.
https://doi.org/10.1002/adfm.202409419