仿生传感器 搭载高精度传感器还能以假乱真，智能软体仿生鱼“文鳐”问世

搭载高精度传感器还能以假乱真，智能软体仿生鱼“文鳐”问世

虽然在空气中的“体重”达到35斤，但在水里游动时，它却灵活无比，令人与鱼难辨真假。

仿生鱼“文鳐”。 本文图片均为 上海海洋大学 供图

4月20日，智能软体仿生鱼——“文鳐”问世。当日，上海海洋大学展示了这款智能软体仿生鱼，它形似蝠鲼（俗称“魔鬼鱼”）的体态，翼展1米。该仿生鱼由上海海洋大学核心成员30余人的仿生鱼团队历经10余年研发，取《山海经》中“五谷丰登，文鳐现世”之义，将其命名为“文鳐”。

上海海洋大学介绍，“文鳐”的核心器部件已全部国产化，其效率高，能耗低，功能多，同时具备共融性、超仿生、隐身性三大优势，满足长续航、高机动、大负载、大范围作业需求。

“我们从鱼类行为学出发，在形态、运动、行为、结构、材料各方面仿生，实现生物外轮廓拟合，动态全运动模拟，达到翱翔海洋、‘以假乱真’的目的。”上海海洋大学海洋生物资源与管理学院院长、仿生鱼团队负责人陈新军介绍，团队主打“软体”结构研究，同时，仿生鱼凭借高效、节能、低噪、隐蔽等性能优势，可广泛应用于远洋捕捞、深海勘探等领域，对发展海洋经济、维护国家主权意义重大。

陈新军介绍，仿生鱼产品内部具备超大有效载荷空间，基于多传感器协同的智能监测技术，通过搭载多款高精度传感器，给仿生蝠鲼装上“眼睛”和“耳朵”，可胜任对300米以内水深的水下监测等工作。在仿生蝠鲼身上搭载成像声呐测扫设备，以更灵活、成本更低的方式描绘海洋的地形地貌、鱼群情况。搭载水下成像系统的蝠鲼，基于人工智能的水下目标识别技术，通过对目标检测和图像分割进行监测实现分类识别，准确率高达90%。

仿生鱼“文鳐”入水。

“文鳐”不仅外形仿生，且功能强大，仅3节微小电池，便可在水里续航3个小时以上，无论是转弯、360度翻滚，还是回旋，都可以畅游自如。“文鳐”可以搭载多款高精度传感器，满足对鱼群的实时状态监测，实现全空间内水下鱼群智能识别与互动。它也可以作为观赏鱼，带来全新的视觉享受。

此外，仿生鱼团队还开发了仿生鱿鱼、仿生金龙鱼、仿生海豚、仿生海鳗等。日前，该项目已和上海一家公司签约，共同研发开发软体仿生鱼，并期待有更多的市场运用。此举也代表着国内首款智能软体仿生蝠鲼相关技术转移落地，走上产学研和科技成果转化的道路，将高校的研究开发优势与企业的市场优势、产品化优势有效结合，实现了资源共享和优势互补。

上海海洋大学介绍，未来新一代“文鳐”将搭载华为芯片，实现智慧鱼脑，同时随着技术的不断进步以及应用领域的不断拓宽，作为水下机器人领域的一种创新形式，软体仿生鱼将在海洋科学、环境保护以及经济发展等多个重要领域发挥更重要的作用。

科学家研发仿生自适应光传感器，推动仿生视觉领域进一步发展

近日，东北师范大学徐海阳教授团队研发出一款仿生自适应光传感器。在自供电模式之下，它能感知并处理从紫外到近红外宽波段的入射光，并能很好地模拟人眼的视觉适应行为。

这项成果既丰富了当前神经形态器件的种类，也促进了视网膜仿生器件的发展，有望成为仿生视觉系统中感知端的重要集成组件，从而推动仿生视觉领域的进一步发展。

据了解，该传感器基于二维 γ-InSe 半导体材料，采用 “非中心对称”和“非对称接触”的设计思路，背后机制结合了光-热释电效应、以及光-热电效应，即基于以“光-热-电”作用为基础的工作机制。

通过此，它可以对光强和波长进行分辨，从而产生自适应的光响应。

目前，在自驱动模式之下，其已具备模拟部分人眼适应功能的能力。

也就是说，本传感器可以在不同光照情境之下，进行按需生产与应用，比如用于智能监控、自动驾驶、机器人视觉等。

（来源：Light: Science & Applications）

传感器已经有很多，为何要研发这种传感器？

传感器，并不是新鲜事物。那么研发本传感器的背后原因是什么？

据论文共同通讯作者李远征副教授介绍，当与周围环境互动时，人类的视觉感知能力可以从周围环境中收集到 80% 以上的信息。

图 | 李远征（来源：李远征）

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？

据李远征副教授介绍，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 1064nm 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: Science & Applications）

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: Science & Applications）

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》（Self-powered and broadband opto-sensor with bionic visual adaptation function based on multilayer γ-InSe flakes）为题发在 Light: Science & Applications（IF 19.4）。东北师范大学李远征副教授和徐海阳教授担任共同通讯作者[1]。

图 | 相关论文（来源：Light: Science & Applications）

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-powered and broadband opto-sensor with bionic visual adaptation function based on multilayer γ-InSe flakes. Light Sci Appl 12, 180 (2023). https://doi.org/10.1038/s41377-023-01223-1

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