视觉感知系统，是人类以及其他脊椎动物最重要的感知系统。作为视觉感知系统的重要组成部分，人眼可以感知颜色、亮度等视觉信息。

此外，人眼可以通过自动调整瞳孔大小，来适应不同的光线强度。比如，人类之所以能在亮光和暗光中都能看清晰图像，正是依赖于这种视觉自适应的能力。

当前，各种模仿生物系统的传感器陆续涌现。其中，仿生视觉传感器已经成为人工智能领域的研究热点之一。在人类的视觉系统之中，一个重要的功能便是视觉适应。

视觉适应，是一种面对刺激时的自主反应。它可以让感知系统调整自身行为，从而适应不同的光线环境。

对于人造类仿生视觉传感器来说，它们往往可以在各种照明条件之下，针对不同刺激响应作出自主调整，从而捕获相关的图像，进而完成视觉检查和视觉识别等任务。

目前，不少仿生视觉传感器都能以动态方式去适应外部光刺激，也就是说它们具备模拟人类视觉适应功能的潜力。

然而，现有的模拟人类视觉适应功能，往往受困于复杂的硬件和软件系统，导致操作效率并不够高。

同时，已有传感器的主要工作机制，仍然局限于对载流子捕获或离子迁移的调控，无法满足视觉自适应器件的应用需求，也无法顺应人工视觉系统的发展趋势。

所以，亟待探索关于传感器的新机制，从而更好地服务于具有简单器件构型的仿生视觉传感器。

也就是说，未来的传感器不仅要拥有传统光传感器的高灵敏响应性能，还要能在特殊环境之下针对所感知的图像进行预处理，从而在确保具有强大预处理功能的同时，也具备大型集成电路所无法达到的超低功耗特点。正是基于这些考虑，课题组研发了本传感器。

自适应能力从何而来？

那么，这款传感器具体如何实现自适应的？

据 副教授介绍，课题组利用非中心对称 γ-InSe 的热释电性质，在光照之时发生光热释电效应，从而引起响应电流尖峰的出现。

然后，通过电极材料之间非对称接触的面积，在光热效应的帮助之下，可以在热平衡建立之前，进一步获得光响应电流的自发弛豫。

大家知道对于持续的亮光环境，人眼具备视觉适应的能力。而这款光传感器也具备模仿上述能力的潜力。

非中心对称的 γ-InSe 材料，便是实现这种能力的“法宝”。该材料具有非中心对称的晶体结构、以及优异的光电性质，因此可以获得不错的热释电瞬时响应尖峰。

研究中，他们对机械剥离的 γ-InSe 样品进行一系列的表征，借此确定样品是非中心对称的 γ 相。并通过测量材料对于 激发光所产生的二次谐波信号，再次验证了 γ-InSe 材料具有非中心对称的结构特征。

同时，γ-InSe 表面与两端接触电极的非对称接触，会产生中心光斑面向两端的温度差。而温度差会产生不可抵消的温差热电势，从而驱动净电子的输运，进而形成热电电流。

随着热平衡的建立，热电电流会逐渐减小，从而实现电流自发的弛豫。基于上述机制，本次传感器可以在零偏压下完成工作，并且可以分辨光强依赖和宽波段波长，这说明它具备和人眼一样的明适应行为特征。

为了验证二维 γ-InSe 基自适应传感器的工作机制，该团队采用控制变量法进行对比实验，借此排除材料上下界面可能存在的载流子捕获，对于器件适应行为的影响，从而证明传感器的适应行为来源于它本身，而非来自于外界。

然后，针对传感器在持续光照之下的动态响应过程，课题组提出由光-热释电效应、光-热电效应、以及光伏效应主导的光-热-电转换机制。

并通过变温、变偏压、变激光辐照面积等手段，在多个波长之下针对上述猜想进行实验验证，最终证实这一猜想完全成立。‍‍‍‍

（来源：Light: & ）

黑暗过后，仍能恢复 99.6% 的敏感度

如前所述，这种基于二维 γ-InSe 基的自适应仿生光传感器，可以像人眼一样，适应不同的光照强度和波长。为更深入地了解这种特性，该团队开展了一系列的实验。

首先，他们模拟了一种“闪烁灯牌”的情境。结果发现：当光照强度增大时，本次传感器能够逐渐适应，并且在 10 次闪烁之内，就能分辨出灯牌上的内容“NENU”。这就像人眼在适应明亮的环境后，能够看清楚事物一样。

接着，他们又模拟了人眼在两次相同的光刺激之间，经历黑暗间隔之后恢复视觉敏感度的功能。其发现：从间隔 1 秒到间隔 60 秒的变化中，本次传感器能够逐渐恢复敏感度，最终可以恢复 99.6% 的敏感度。这就像人眼在黑暗中适应一段时间后，再看到光时会逐渐恢复视力一样。

此外，他们还发现传感器在适应过程之中并不是独立工作的。就像人类的眼皮和瞳孔可以调节进入眼睛的光通量一样，它也可以通过调节光通量来辅助完成适应过程。

当有效控制进入传感器的光通量，从而让光热效应的温度发生缓慢的改变，这时就可以加速适应过程，并减少在适应过程中出现的“炫目”效果。

另外，课题组还发现对于宽波段的光强依赖，这款传感器也具有自适应的响应特性。也就是说，它不仅能适应不同的光照强度，还能适应不同的光波长。

接着，他们在红、绿、蓝光波段测试了器件的图像感知效果。结果显示：当针对器件的响应电流值，把各波段的灰度值区间加以定义，传感器就能在 2 秒之内完成感知适应，从而得到清晰的图像信息。而这就像人眼能够适应各种颜色的光线一样。

通过这些实验，他们发现二维 γ-InSe 基自适应光传感器具有非常强大的功能。概括来说，这款传感器不仅可以分辨光强和波长，从而产生自适应性的光响应，还能模拟人眼的多项视觉适应功能。

在各种光照条件和波长之下，它都能模拟人眼的能力。因此，该团队认为该传感器具备成为人工视觉系统重要组件的潜力。

（来源：Light: & ）

最终，相关论文以《基于多层 γ-InSe 薄片的具有仿生视觉自适应功能的自供电宽带光传感器》（）为题发在 Light: & （IF 19.4）。 东北师范大学 副教授和 教授担任共同通讯作者[1]。

图 | 相关论文（来源：Light: & ）

未来，他们计划研发更加智能、更加高集成的仿生视觉传感器，从而让其具备人眼所不具备的功能，比如偏振响应、紫外/红外光响应等。目前，他们正在开展相关研究，后续会陆续发表新的论文。

参考资料：

[1] Liu, W., Yang, X., Wang, Z. et al. Self- and opto- with based on γ-InSe . Light Sci Appl 12, 180 (2023).

运营/排版：何晨龙

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