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中科院福建物構(gòu)所黃偉國研究員、香港大學(xué)王忠睿教授團(tuán)隊《Nat. Commun.》：可實現(xiàn)“儲池計算”的柔性光電材料和器件
2023-02-06  來源：高分子科技


  人類視網(wǎng)膜通過感知光信號收集豐富的動態(tài)圖像，并對其進(jìn)行預(yù)處理，進(jìn)而加速下游視覺皮層的任務(wù)識別。傳統(tǒng)硅視覺芯片的信號感知、存儲和處理單元相互獨立，各單元之間大量頻繁的數(shù)據(jù)傳輸和模數(shù)轉(zhuǎn)換，不但會產(chǎn)生大量的能耗，還嚴(yán)重限制了算速。這一局限性隨著摩爾定律的減速進(jìn)一步加劇。因此，開發(fā)柔性且具有“感算一體”特征的光電材料和器件，對于實現(xiàn)低功耗高算速的邊緣計算器件具有重要的意義。


  中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點實驗室黃偉國研究員團(tuán)隊、香港大學(xué)王忠睿教授團(tuán)隊提出了一種材料-算法協(xié)同設(shè)計策略，開發(fā)出具有高效激子分離和空間電荷傳輸特性的半導(dǎo)體聚合物(p-NDI)，并且成功地構(gòu)建了具有多任務(wù)識別能力的“儲池計算”視覺芯片。基于p-NDI出色的光響應(yīng)行為和瞬態(tài)記憶特性，器件可同時感知、存儲和預(yù)處理光信號，并表現(xiàn)出多比特信號區(qū)分能力，記憶非線性衰減行為，和對于不同輸入信號的實時關(guān)聯(lián)特性；诖耍“儲池計算”器件對手寫字母、數(shù)字和服裝的識別率分別為98.04%、88.18%和91.76%。此外，其對不同動態(tài)手勢的識別率高達(dá)98.62%，為有機光電材料中報道的最高值。該工作為柔性可穿戴具有多任務(wù)學(xué)習(xí)識別功能的高效光子神經(jīng)形態(tài)器件提供了一種全新的設(shè)計策略。 



  形貌分析表明p-NDI具有較規(guī)整面外取向，及較差的面內(nèi)取向，為有效的空間電荷傳輸創(chuàng)造了一個良好的連接路徑。這些特性促成了基于p-NDI的晶體管具有出色的光響應(yīng)行為和瞬態(tài)記憶特性。 



  上圖結(jié)果表明基于p-NDI的 “儲池計算”器件對手寫字母、數(shù)字和服裝的識別率分別為98.04%、88.18%和91.76%。    



  在多任務(wù)識別性能方面，光電儲池計算系統(tǒng)與典型的單層ANN和雙層ANN兩者相比，其精度更高，且需訓(xùn)練參數(shù)量和MAC操作數(shù)量更少。 



  基于p-NDI構(gòu)建的具有多任務(wù)識別能力的“儲池計算”視覺芯片可以成功實現(xiàn)對于動圖的識別，且對不同動態(tài)手勢識別率高達(dá)到98.62%。


  該成果以“Wearable in-sensor reservoir computing using optoelectronic polymers with through-space charge-transport characteristics for multi-task learning” 為題發(fā)表于《nature communication》上。中國科學(xué)院大學(xué)博士研究生吳孝嵩和香港大學(xué)博士研究生王少聰為本文共同第一作者。該項研究得到國家自然科學(xué)基金委，中國福建光電信息科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新實驗室支持。


  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36205-9

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