全光控憶阻器鍛造人工視覺(jué)系統(tǒng)“火眼金睛”

全光憶阻器的巨大優(yōu)勢(shì)在于，它可以將傳統(tǒng)人工視覺(jué)系統(tǒng)中的光學(xué)傳感器、存儲(chǔ)器和處理器的功能集成在一起，獲得一種集感知、存儲(chǔ)和計(jì)算于一體的新型人工視覺(jué)系統(tǒng)。可以通俗地理解為，全光憶阻器不僅可以像人眼一樣直接感知外界光線信息，還可以像大腦一樣完成信息處理和記憶。

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中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所的這項(xiàng)研究成果雖然還處于研究的初級(jí)階段，但已經(jīng)足夠激勵(lì)人心了。因?yàn)檫@項(xiàng)成果為實(shí)現(xiàn)人工視覺(jué)系統(tǒng)的感覺(jué)/記憶/計(jì)算一體化帶來(lái)了希望，這是科學(xué)家們孜孜以求的研究目標(biāo)。

要知道，人工視覺(jué)系統(tǒng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，視覺(jué)數(shù)據(jù)的采集、處理和存儲(chǔ)仍然是分離的，需要由傳感器、處理器和存儲(chǔ)器三部分來(lái)完成。人工視覺(jué)系統(tǒng)的大部分時(shí)間和精力都會(huì)浪費(fèi)在三者之間的視覺(jué)數(shù)據(jù)傳輸上，嚴(yán)重限制了其工作效率。另外，傳統(tǒng)的人工視覺(jué)系統(tǒng)不具備自主學(xué)習(xí)能力，不能快速適應(yīng)各種復(fù)雜場(chǎng)景。

人工視覺(jué)系統(tǒng)可以不能有效地完成信息處理任務(wù)，這意味著它不能根據(jù)外部環(huán)境迅速向控制系統(tǒng)發(fā)出指令。所以我們看到的機(jī)器人都很笨拙，無(wú)人駕駛汽車的速度也不夠快，無(wú)法在實(shí)況道路上安全行駛。

一理想解決方案是將傳感器、處理器、存儲(chǔ)器融為一體，打造集感知、記憶、計(jì)算于一體的新型人工視覺(jué)系統(tǒng)。這樣既能從根本上避免視覺(jué)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的重復(fù)傳輸，又能像人腦一樣具有自主學(xué)習(xí)的能力，大大提高了系統(tǒng)的工作效率。

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那么問(wèn)題來(lái)了，如何才能實(shí)現(xiàn)人工視覺(jué)系統(tǒng)的感知/存儲(chǔ)/計(jì)算一體化？科學(xué)研究的靈感往往來(lái)自大自然本身。人類作為自然界的高等動(dòng)物，得益于我們聰明的大腦。人腦是由大量突觸和神經(jīng)元組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其計(jì)算效率遠(yuǎn)高于現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)。因此，構(gòu)建能夠模擬人腦結(jié)構(gòu)和計(jì)算模式的類腦芯片，是實(shí)現(xiàn)人工視覺(jué)系統(tǒng)中感覺(jué)、記憶和計(jì)算一體化的關(guān)鍵。

一種被稱為憶阻器的新型電子元件，具有簡(jiǎn)單的雙端結(jié)構(gòu)、超快的運(yùn)算速度和超低的能耗，在模擬大腦功能方面具有巨大優(yōu)勢(shì)，成為構(gòu)建類腦芯片的重要候選。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，類腦芯片就像摩天大樓，憶阻器就是搭建大樓的磚塊。

憶阻器通常由電信號(hào)驅(qū)動(dòng)，對(duì)光信號(hào)不敏感，導(dǎo)致常規(guī)憶阻器不能直接用于視覺(jué)信息處理。2012年，西班牙科學(xué)家Mariana Ungureanu將光信號(hào)引入憶阻器的工作機(jī)制，獲得了第一個(gè)光電憶阻器。此后，許多科學(xué)家利用光電憶阻器構(gòu)建人工視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)模擬人類的視覺(jué)功能。

然而，近十年來(lái)，光電憶阻器是由光信號(hào)和電信號(hào)混合驅(qū)動(dòng)的。這種操作方式復(fù)雜，不利于視覺(jué)信息的高效處理。相比之下，全光信號(hào)驅(qū)動(dòng)可以直接利用外部光線實(shí)時(shí)處理視覺(jué)信息，是一種非常理想的工作模式，但一直難以實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)現(xiàn)憶阻器的全光信號(hào)驅(qū)動(dòng)是科學(xué)家公認(rèn)的巨大挑戰(zhàn)。

令人振奮的是，在中科院材料所科研人員多年的努力下，這一挑戰(zhàn)終于得到了解決。全光學(xué)憶阻器的出現(xiàn)，打破了憶阻器對(duì)傳感/記憶/計(jì)算一體化人工視覺(jué)系統(tǒng)應(yīng)用的壁壘，相信在不久的將來(lái)，它們將走進(jìn)我們的生活。

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實(shí)現(xiàn)人工視覺(jué)系統(tǒng)的感覺(jué)、存儲(chǔ)、計(jì)算一體化后，會(huì)給我們的生活帶來(lái)什么樣的影響？最直觀的應(yīng)用領(lǐng)域之一就是無(wú)人駕駛。近年來(lái)，無(wú)人駕駛一直是研究的熱點(diǎn)。雖然在少數(shù)地方有簡(jiǎn)單的試驗(yàn)，但這種高科技還沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用。一個(gè)重要原因是車上視覺(jué)系統(tǒng)的感知、存儲(chǔ)和計(jì)算分離，導(dǎo)致信息處理效率低下，只能根據(jù)具體路況被動(dòng)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。現(xiàn)在，憶阻器全光控制技術(shù)的突破，不僅可以大大提高視覺(jué)系統(tǒng)的計(jì)算效率，還可以使其具備自主學(xué)習(xí)的能力，快速適應(yīng)各種路況，變得像人腦一樣足智多謀。

相信無(wú)人駕駛的大規(guī)模應(yīng)用已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)。安裝集感覺(jué)、存儲(chǔ)和計(jì)算于一體的人工視覺(jué)系統(tǒng)后，汽車將擁有"黃金眼"。想象一下，我們只需要一個(gè)指令，人工視覺(jué)系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)道路信息自動(dòng)完成駕駛?cè)蝿?wù)。汽車也會(huì)自己尋找合適的停車點(diǎn)，大大節(jié)省了我們的出行時(shí)間。人們?cè)僖膊挥脫?dān)心打不到出租車或找不到停車位。依靠人工視覺(jué)系統(tǒng)強(qiáng)大的自主學(xué)習(xí)能力，交通事故的發(fā)生率也會(huì)大大下降，當(dāng)然這只是無(wú)人駕駛的初級(jí)階段。

當(dāng)無(wú)人駕駛已經(jīng)進(jìn)化到高級(jí)階段的時(shí)候，路上很難看到有人開(kāi)著自己的車，人工駕駛可能會(huì)被認(rèn)為是一件瘋狂的事情。無(wú)人駕駛汽車已經(jīng)能夠適應(yīng)各種路況信息，在公路上高速行走，安全性能遠(yuǎn)高于人工駕駛。也許到那個(gè)時(shí)候，我們就不我們不必自己買車。我們只需要驗(yàn)證我們的身份，無(wú)人駕駛汽車就會(huì)帶我們?nèi)ト魏蔚胤健?p>此外，每輛無(wú)人駕駛汽車收集的道路信息可以實(shí)時(shí)反饋到超級(jí)計(jì)算機(jī)控制中心。控制中心通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，幫助每輛車優(yōu)化行駛路線，不會(huì)出現(xiàn)堵車的情況，路上甚至可能不用紅綠燈。

另一個(gè)重要的應(yīng)用將是在機(jī)器人領(lǐng)域。目前機(jī)器人偶爾出現(xiàn)在我們的生活中，但往往反應(yīng)遲鈍，行動(dòng)不便，與我們?cè)陔娪爸锌吹降臋C(jī)器人相差甚遠(yuǎn)。已經(jīng)完善的新型人工視覺(jué)系統(tǒng)有望改變這一切。它能快速收集周圍的信息，同時(shí)做出判斷，并實(shí)時(shí)反饋給控制系統(tǒng)，使機(jī)器人快速做出反應(yīng)。不僅如此，機(jī)器人還能根據(jù)看到的信息繼續(xù)自主學(xué)習(xí)，會(huì)越來(lái)越智能，甚至形成自己的思維。

事實(shí)上，全光憶阻器不僅可以處理視覺(jué)信息，還可以通過(guò)與各種智能傳感器的配合，處理聲音、氣味、溫度、壓力等信號(hào)，從而構(gòu)建新的人工聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)、嗅覺(jué)系統(tǒng)和觸覺(jué)系統(tǒng)。當(dāng)機(jī)器人擁有這些功能時(shí)，它們真的可以像機(jī)器人一樣靈活和聰明

甚至，我們?nèi)祟惪梢詣?chuàng)造一對(duì)"金色的眼睛"并通過(guò)腦機(jī)接口與大腦連接。這不僅能幫助盲人重見(jiàn)光明，還能給我們一個(gè)超級(jí)大腦。我們只需要把想學(xué)的東西在眼前掃一掃，就可以在短時(shí)間內(nèi)完成整個(gè)學(xué)習(xí)過(guò)程，獲得很多新知識(shí)。

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科學(xué)研究永無(wú)止境，人類不斷創(chuàng)造各種奇跡。最后，我想說(shuō)，科技是一把雙刃劍，科研要有敬畏之心。在追求科技發(fā)展的同時(shí)，我們也需要合理發(fā)展人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)我們與自然的和諧共處。