全光控憶阻器鍛造人工視覺系統“火眼金睛”

全光憶阻器的巨大優(yōu)勢在于，它可以將傳統人工視覺系統中的光學傳感器、存儲器和處理器的功能集成在一起，獲得一種集感知、存儲和計算于一體的新型人工視覺系統。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與工程研究所的這項研究成果雖然還處于研究的初級階段，但已經足夠激勵人心了。因為這項成果為實現人工視覺系統的感覺/記憶/計算一體化帶來了希望，這是科學家們孜孜以求的研究目標。

要知道，人工視覺系統經歷了幾十年的發(fā)展，視覺數據的采集、處理和存儲仍然是分離的，需要由傳感器、處理器和存儲器三部分來完成。人工視覺系統的大部分時間和精力都會浪費在三者之間的視覺數據傳輸上，嚴重限制了其工作效率。另外，傳統的人工視覺系統不具備自主學習能力，不能快速適應各種復雜場景。

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

一理想解決方案是將傳感器、處理器、存儲器融為一體，打造集感知、記憶、計算于一體的新型人工視覺系統。這樣既能從根本上避免視覺系統中數據的重復傳輸，又能像人腦一樣具有自主學習的能力，大大提高了系統的工作效率。

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那么問題來了，如何才能實現人工視覺系統的感知/存儲/計算一體化？科學研究的靈感往往來自大自然本身。人類作為自然界的高等動物，得益于我們聰明的大腦。人腦是由大量突觸和神經元組成的復雜網絡系統，其計算效率遠高于現有的計算機。因此，構建能夠模擬人腦結構和計算模式的類腦芯片，是實現人工視覺系統中感覺、記憶和計算一體化的關鍵。

一種被稱為憶阻器的新型電子元件，具有簡單的雙端結構、超快的運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，成為構建類腦芯片的重要候選。簡單來說，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驅動，對光信號不敏感，導致常規(guī)憶阻器不能直接用于視覺信息處理。2012年，西班牙科學家Mariana Ungureanu將光信號引入憶阻器的工作機制，獲得了第一個光電憶阻器。此后，許多科學家利用光電憶阻器構建人工視覺系統來模擬人類的視覺功能。

然而，近十年來，光電憶阻器是由光信號和電信號混合驅動的。這種操作方式復雜，不利于視覺信息的高效處理。相比之下，全光信號驅動可以直接利用外部光線實時處理視覺信息，是一種非常理想的工作模式，但一直難以實現。因此，實現憶阻器的全光信號驅動是科學家公認的巨大挑戰(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。全光學憶阻器的出現，打破了憶阻器對傳感/記憶/計算一體化人工視覺系統應用的壁壘，相信在不久的將來，它們將走進我們的生活。

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實現人工視覺系統的感覺、存儲、計算一體化后，會給我們的生活帶來什么樣的影響？最直觀的應用領域之一就是無人駕駛。近年來，無人駕駛一直是研究的熱點。雖然在少數地方有簡單的試驗，但這種高科技還沒有大規(guī)模應用。一個重要原因是車上視覺系統的感知、存儲和計算分離，導致信息處理效率低下，只能根據具體路況被動學習和訓練?，F在，憶阻器全光控制技術的突破，不僅可以大大提高視覺系統的計算效率，還可以使其具備自主學習的能力，快速適應各種路況，變得像人腦一樣足智多謀。

相信無人駕駛的大規(guī)模應用已經不再遙遠。安裝集感覺、存儲和計算于一體的人工視覺系統后，汽車將擁有"黃金眼"。想象一下，我們只需要一個指令，人工視覺系統就會根據道路信息自動完成駕駛任務。汽車也會自己尋找合適的停車點，大大節(jié)省了我們的出行時間。人們再也不用擔心打不到出租車或找不到停車位。依靠人工視覺系統強大的自主學習能力，交通事故的發(fā)生率也會大大下降，當然這只是無人駕駛的初級階段。

當無人駕駛已經進化到高級階段的時候，路上很難看到有人開著自己的車，人工駕駛可能會被認為是一件瘋狂的事情。無人駕駛汽車已經能夠適應各種路況信息，在公路上高速行走，安全性能遠高于人工駕駛。也許到那個時候，我們就不我們不必自己買車。我們只需要驗證我們的身份，無人駕駛汽車就會帶我們去任何地方。

此外，每輛無人駕駛汽車收集的道路信息可以實時反饋到超級計算機控制中心。控制中心通過大數據分析，幫助每輛車優(yōu)化行駛路線，不會出現堵車的情況，路上甚至可能不用紅綠燈。

另一個重要的應用將是在機器人領域。目前機器人偶爾出現在我們的生活中，但往往反應遲鈍，行動不便，與我們在電影中看到的機器人相差甚遠。已經完善的新型人工視覺系統有望改變這一切。它能快速收集周圍的信息，同時做出判斷，并實時反饋給控制系統，使機器人快速做出反應。不僅如此，機器人還能根據看到的信息繼續(xù)自主學習，會越來越智能，甚至形成自己的思維。

事實上，全光憶阻器不僅可以處理視覺信息，還可以通過與各種智能傳感器的配合，處理聲音、氣味、溫度、壓力等信號，從而構建新的人工聽覺系統、嗅覺系統和觸覺系統。當機器人擁有這些功能時，它們真的可以像機器人一樣靈活和聰明

甚至，我們人類可以創(chuàng)造一對"金色的眼睛"并通過腦機接口與大腦連接。這不僅能幫助盲人重見光明，還能給我們一個超級大腦。我們只需要把想學的東西在眼前掃一掃，就可以在短時間內完成整個學習過程，獲得很多新知識。

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科學研究永無止境，人類不斷創(chuàng)造各種奇跡。最后，我想說，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，我們也需要合理發(fā)展人工智能技術，實現我們與自然的和諧共處。