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研究背景

人工視覺系統（AVS）是智能機器感知和與環境互動的關鍵技術，因其能夠獲取多樣化的信息、具有較強的適應性且無需物理接觸，成為了研究熱點。然而，傳統的AVS在視場、光學像差、適應性和效率等方面存在諸多挑戰，尤其是光學像差導致圖像失真和計算冗余問題，限制了其性能和應用。因此，近年來，仿生光電子學作為解決傳統AVS局限性的有力途徑，得到了廣泛關注。

仿生光電子學通過模仿生物視覺系統的結構和功能，在光學性能和計算效率上取得了顯著進展。納米材料的進步使得仿生光電子設備不僅能夠模擬生物眼睛的優異光學表現，增強視野和成像質量，還能在感官終端集成處理功能，從而提高計算和能效。神經形態光電子學則進一步將感知與處理功能結合，為AVS提供了更高的效率和更低的能耗。

成果簡介

有鑒于此，香港科技大學講座教授范智勇等人在Nature Reviews Materials期刊上發表了題為“Biomimetic optoelectronics with nanomaterials for artificial vision”的最新綜述。

本文綜述了基于納米材料的仿生光電子學及其在AVS中的應用，提出了如曲面圖像傳感器和神經形態設備等創新設計。這些研究不僅為新一代視覺設備的開發提供了理論依據，也為提升人工視覺系統的性能和效率提供了新的技術路徑。通過對這些研究成果的總結與展望，本文旨在為未來的AVS技術發展提供指導，并激發更多創新。

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研究亮點

（1）實驗綜述人工視覺系統（AVS）的發展，得到了基于納米材料的仿生光電子學的突破。研究表明，仿生設計和神經形態光電子學是推動AVS革新的兩大關鍵方向。仿生設計通過模仿生物眼睛的優越光學性能，提升了視覺系統的視野、成像質量和適應性；而神經形態光電子學則通過將處理功能集成到感官終端，顯著提高了計算和能效。

（2）綜述通過對納米材料和創新設計策略的深入分析，得出以下結果：首先，曲面圖像傳感器和神經形態設備的應用為AVS提供了更高的視覺靈敏度和更低的能耗。其次，仿生光學和光電子學的結合促進了AVS在更廣闊視野下的圖像采集能力，同時消除了傳統設備中的光學像差和冗余信號問題。最后，集成深度神經網絡和卷積步驟有望進一步提升AVS的復雜模式識別能力，為智能系統在處理復雜環境中的跨感官集成提供了強有力的技術支持。

圖文解讀

圖1：生物和人工單腔眼及復眼的結構與配置。

圖2：典型的光學像差、光學濾波器及其仿生策略以消除這些問題。

圖3：生物視覺系統中的自適應光學系統與仿生設計。

圖4：用于曲面圖像傳感器的多維納米材料。

圖5：基于納米材料的類神經光電子學。

圖6：靜態和時變動態信息的設備內處理。

圖7：基于人工神經網絡和卷積神經網絡的傳感器內模式識別系統。

結論展望

本文的研究啟示了在人工視覺系統（AVS）設計中的兩個關鍵方向：仿生光電子學和神經形態光電子學。首先，仿生設計通過模仿生物眼睛的優越光學性能，如廣視場、高成像質量和自適應能力，解決了傳統AVS在視野和圖像質量上的不足。納米材料的應用使得這些仿生設備在性能上得到了顯著提升，尤其是在視覺信息采集和處理效率方面。其次，神經形態光電子學的引入，通過將處理功能集成到感官終端，提升了計算和能源效率，克服了傳統設備因計算冗余帶來的高能耗和延遲問題。這兩者的結合不僅提升了視覺系統的整體性能，還為智能設備在復雜環境中的應用提供了更高的適應性和響應速度。此外，基于納米材料的創新設計策略為未來AVS的研發開辟了新的方向，尤其是在增強感知能力和提升處理效率方面。綜合來看，本文為下一代智能視覺系統的開發提供了重要的理論指導和技術路徑。

文獻信息

Long, Z., Zhou, Y., Ding, Y. et al. Biomimetic optoelectronics with nanomaterials for artificial vision. Nat Rev Mater (2024).

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