如何让材料和器件更好地感知和处理信息？从几个原子层厚的二维材料，到能在黑暗中“看懂”动作、在明暗快速变化中保持视觉感知，西交利物浦大学人工智能与先进技术学院赵春教授课题组近期连续取得三项研究进展，相关成果分别发表于《Advanced Materials》《Matter》和《Science Advances》。这三项研究从材料形成机制出发，延伸到新型视觉器件和智能感知应用，呈现出一条从材料、器件到系统应用的完整研究链条。

让智能系统在弱光中“看懂”人的动作

夜间或弱光环境下，传统视觉设备的感知能力往往受限。方欲晓博士从猫等夜行哺乳动物的视觉机制中获得启发，研发了一种面向弱光环境的神经形态视觉器件。“我们希望模仿的不仅是动物在弱光下的视觉能力，更重要的是它处理信息的方式。”方欲晓介绍。

(资料图)

与传统视觉传感器主要记录单帧画面不同，生物视觉能够整合一段时间内的信息，从连续变化中判断正在发生什么。团队将这种“时间记忆”能力引入人工视觉系统，首次将 II 型 PbS/PbSe 核壳量子点与柔性碳纳米管光突触晶体管相结合，通过材料、器件、阵列与算法的协同设计，让器件不仅感知光信号，还能保留此前发生的信息。

这种设计使系统能够关注“动作是怎样发生的”，而非仅捕捉某一时刻的姿势。例如，当一个人突然捂住胸口，单独观察某一帧难以判断情况；但结合此前的动作变化，系统能获得更完整的信息。

研究验证中，团队将这些具有时间记忆特性的器件集成为柔性光突触阵列，实现了人体动作识别，能够识别与头痛、胸痛、恶心和呕吐等健康状态相关的动作模式。这项技术有望应用于夜间家庭监控、老年人照护和低功耗边缘视觉等场景。

相关论文于 7 月 14 日被《Advanced Materials》接收，8 月 28 日在线发表。方欲晓为论文共同第一作者之一，赵春为通讯作者之一。

让机器视觉自主适应明暗变化

光线在短时间内剧烈变化同样给机器视觉带来挑战。汽车进出隧道时，环境会从昏暗迅速变得明亮，人眼可快速适应，但传统视觉设备可能出现画面过亮或过暗，影响目标识别。

研究团队研发了一种能够自动适应光线变化的视觉器件，让人工视觉系统像人眼一样根据环境亮度快速调整感光状态。

论文共同第一作者、博士生赵梓深介绍，团队通过结合两种不同材料构建新型感光结构，使器件能够根据光线强弱自动调节对光的响应。在自动驾驶应用场景测试中，该器件能够在光线变化过程中持续识别道路和车辆等目标，识别准确率超过 90%。

“如果视觉系统能够自己完成明暗调整，就可以减少对复杂外部电路和后期图像处理的依赖，降低系统复杂度，提升视觉感知的实时性和稳定性。”赵梓深说。

相关论文于 7 月 3 日被《Matter》接收，7 月 30 日在线发表。赵梓深为三位共同第一作者之一，赵春为通讯作者之一。该器件单次工作能耗仅约 1.8 阿焦耳，未来团队将进一步扩大器件阵列规模，提升稳定性。

为什么二维材料会形成螺旋？

未来的手机、可穿戴设备和传感器需要越来越轻薄，只有几个原子层厚的二维材料因此受到广泛关注。但要更好地利用这类材料，首先需要了解它们是如何形成的，以及为何呈现不同结构。

刚完成博士后工作的乔沛宇博士参与的研究聚焦二维材料螺旋结构的形成机制。为了直接观察材料形成过程，团队在材料表面增加保护结构，避免样品在观察中受损，实现了原子尺度观察。

研究发现，过去认为主要由单一生长点形成的螺旋结构，实际上是多个生长点共同作用、相互影响和竞争的结果。这一发现揭示了二维材料形成特殊结构的机制，有望帮助研究人员更精准地调控二维材料结构，为轻薄柔性电子、传感器等新型器件提供材料基础。

相关论文于 8 月 22 日被《Science Advances》接收，10 月 9 日在线发表。乔沛宇为第一作者，赵春为通讯作者之一。

从材料到应用，构建完整研究链条

谈及近期发表的多项研究成果，赵春教授表示，课题组一直关注从材料、器件到系统和应用的完整研究链条。

“今年以来，我们课题组已有多项研究成果发表于《Advanced Materials》《Science Advances》《Nature Communications》《Matter》等高水平期刊。这些研究体现了团队在材料、器件和智能感知等交叉领域持续积累的研究基础，也说明不同研究方向之间正在形成更加紧密的联系。”

“我们希望做的不只是单篇论文，而是围绕一个方向持续深入，从材料的基础问题出发，发展新的器件，再进一步与系统和应用结合，推动不同研究方向之间形成协同，让基础研究产生更大的价值。”

记者 顾秋萍 通讯员 金画恬 寇博

校对 陶善工

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