仿视网膜石墨烯晶体管实现方向与速度选择性计算

传统机器视觉系统通常将图像传感器与处理单元分离。传感器采集的大量原始图像需要传输至外部处理器进行运动识别和图像稳定，容易带来较高的数据传输量、计算延迟和能耗。相比之下，人类视网膜不仅负责感光，还能够在视觉信号传递至大脑之前完成运动方向和速度的初步筛选。其中，方向选择性神经节细胞（direction-selective ganglion cell，DSGC）与星爆型无长突细胞（starburst amacrine cell，SAC）通过树突上的非对称兴奋–抑制作用，对运动方向和速度进行时空编码。然而，现有神经形态器件多采用简化的“点神经元”模型，通常需要多个器件或外围电路才能实现方向和速度识别，难以在单一器件中重构视网膜树突层级的复杂计算。

近日，韩国科学技术研究院（KIST）Kyeong-Seok Lee研究团队，开发了一种多栅离子凝胶石墨烯场效应晶体管（multi-gate ion-gel graphene field-effect transistor，MIG-GFET）。该器件利用空间分布的栅极和离子迁移动力学，在单个晶体管中模拟人工树突、方向选择性及速度调谐，并进一步用于传感器内图像稳定。相关成果发表于《Small》。

该器件由石墨烯沟道、侧栅电极和PEO/LiClO4离子凝胶介电层构成。当施加正栅极脉冲时，Li+向石墨烯界面迁移并形成电双层，使石墨烯发生静电n型掺杂，从而提高沟道电流。由于离子迁移和弛豫需要一定时间，脉冲结束后界面电荷不会立即恢复，而是表现出逐渐衰减的电流响应（图1）。这一过程类似于生物突触中的兴奋性突触后电流及短时记忆。器件能够根据脉冲幅度、持续时间和频率连续调节突触权重，并表现出成对脉冲易化、短时增强和长时增强/抑制等典型突触行为（图2）。

图1：离子凝胶石墨烯晶体管的结构、电双层调控机制及电学特性。

图2. 器件的脉冲幅度、脉冲宽度、成对脉冲易化及频率依赖突触响应。

研究团队沿石墨烯沟道设置了六个独立栅极G1–G6，将每个栅极视为一个空间分布的树突分区。由于不同栅极与石墨烯沟道之间的距离不同，离子迁移路径和相应的电阻–电容时间常数也不同。靠近沟道的栅极能够产生较大、较快的电流响应，而远端栅极产生的响应较小、衰减较慢，从而模拟生物树突中与距离相关的信号衰减和时间延迟。当六个栅极按照G6→G1的顺序依次激活时，较慢的远端响应能够与后续较快的近端响应发生有效叠加，产生较强的累积电流，该方向被定义为优选方向。反向按照G1→G6激活时，初始近端响应在远端信号到达前已发生明显衰减，时空叠加程度较低，因此产生较弱输出 （图3）。由此，器件无需额外算法处理，仅通过空间非均匀离子动力学和输入顺序，即可在硬件层面区分相反的运动方向。等效RC电路模拟也重现了实验中的方向选择性。

图3. 六栅MIG-GFET的人工树突结构、距离依赖响应及优选/非优选方向的非对称时空积分。

仅依靠多栅兴奋输入时，输入间隔越短，离子积累和电流叠加越明显，器件输出随运动速度提高而逐渐增强，难以对特定速度范围进行选择。为模拟SAC对DSGC的非对称抑制作用，研究团队在石墨烯沟道另一侧引入反向偏置的抑制栅极 （图4）。兴奋栅极的正脉冲驱动Li+在石墨烯界面积累，而抑制栅极的负脉冲使界面离子重新分布，从而削弱兴奋性电流。在低速运动条件下，相邻兴奋输入间隔较长，先前响应已经衰减，难以形成有效叠加；在高速条件下，兴奋与抑制信号高度重叠，输出同样受到明显抑制；只有在中等速度范围内，兴奋信号能够充分叠加，而抑制作用尚未完全占据主导，因此产生最大响应。最终，器件形成了类似视网膜DSGC的带通速度响应，其优选速度约为20–30° s-1，而在超过约150° s-1时响应接近于零。通过调节电双层等效电容，还可以改变离子弛豫时间常数，使优选速度范围发生移动。

图4. DSGC–SAC视网膜微电路及MIG-GFET中的非对称兴奋–抑制积分和带通速度调谐。

手持相机拍摄时，生理性手部震颤通常集中在约8–12 Hz范围，并会造成图像抖动和运动模糊。研究团队利用MIG-GFET测得的速度选择性响应构建频率抑制增益，对震颤频段进行选择性衰减，同时尽量保留低频主动相机运动和与图像细节相关的其他频率成分。在等效电容为10 µF时，器件响应对应的抑制频段与典型手部震颤频率较为匹配。经处理后，模糊图像的峰值信噪比由20.9 dB提高至29.4 dB，结构相似性指数由0.543提高至0.871，边缘保持评分由37.0提高至72.9，图像轮廓和结构清晰度得到明显恢复 （图5）。

需要指出的是，本研究中的图像稳定目前属于基于器件实验参数构建的软件辅助概念验证，尚不是完全独立运行的集成式图像传感器。未来仍需将石墨烯沟道、离子凝胶、多栅结构及外围电路进一步集成至CMOS图像传感器阵列中。

图5. 基于速度选择性响应的传感器内图像稳定原理、震颤频段抑制及图像重建结果。

该工作的核心创新在于，将生物视网膜中的树突时空积分、方向选择和兴奋–抑制速度调谐集成到单个多栅离子凝胶石墨烯晶体管中。空间分布栅极产生的非均匀离子迁移动力学使器件能够识别输入顺序和运动方向；反向偏置抑制栅极则进一步将单调的速度响应转化为可调谐的带通速度滤波。由此，器件不再仅模拟简单突触权重，而是实现了树突层级的运动信息预处理。该研究为在图像传感器端直接执行方向识别、速度筛选和运动抑制提供了新的器件架构，有望减少原始视觉数据向外部处理器的传输，为低延迟、低功耗智能相机和机器人视觉系统提供参考。
来源：高分子科技