人工突觸可實(shí)現(xiàn)接近人類的顏色辨別

日本東京理科大學(xué) （TUS） 電子系統(tǒng)工程系工程系開發(fā)了一種開創(chuàng)性的自供電人工突觸，能夠以極高的精度區(qū)分顏色。該研究由同樣來自 TUS 的 Hiroaki Komatsu 先生和 Norika Hosoda 女士合著。

盡管人工智能和傳感器取得了重大進(jìn)展，但機(jī)器視覺系統(tǒng)在處理每秒生成的大量視覺數(shù)據(jù)方面仍然面臨重大挑戰(zhàn)，這需要大量的電力、存儲(chǔ)和計(jì)算資源。這使得在智能手機(jī)、無(wú)人機(jī)或自動(dòng)駕駛汽車等邊緣設(shè)備中部署視覺識(shí)別功能變得困難。研究人員開發(fā)的人工突觸是自供電的，解決了邊緣應(yīng)用固有的功率限制。

然而，與必須捕獲和處理每個(gè)細(xì)節(jié)的傳統(tǒng)機(jī)器視覺系統(tǒng)不同，人類視覺系統(tǒng)有選擇地過濾信息，從而在消耗最少功率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的視覺處理效率。因此，模擬生物神經(jīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算已成為克服計(jì)算機(jī)視覺中現(xiàn)有障礙的一種有前途的方法。然而，兩個(gè)主要挑戰(zhàn)仍然存在。第一個(gè)是實(shí)現(xiàn)與人類視覺相媲美的顏色識(shí)別，而第二個(gè)是無(wú)需外部電源以最大限度地降低能耗。

研究人員將兩種不同的染料敏化太陽(yáng)能電池集成在一起，它們對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的反應(yīng)，以產(chǎn)生它們的人工突觸。與需要外部電源的傳統(tǒng)光電人工突觸不同，擬議的突觸通過太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換發(fā)電。這種自供電能力使其特別適用于能源效率至關(guān)重要的邊緣計(jì)算應(yīng)用。

廣泛的實(shí)驗(yàn)表明，所得系統(tǒng)可以在可見光譜中以 10 納米的分辨率區(qū)分顏色。這種辨別力接近人眼的辨別力。此外，該器件表現(xiàn)出雙極響應(yīng)，在藍(lán)光下產(chǎn)生正電壓，在紅光下產(chǎn)生負(fù)電壓。這使得通常需要多個(gè)傳統(tǒng)器件的復(fù)雜邏輯作成為可能。

“結(jié)果表明，這種下一代光電器件可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率的顏色辨別和邏輯運(yùn)算，在具有視覺識(shí)別功能的低功耗人工智能系統(tǒng)中應(yīng)用巨大潛力，”生野博士指出。

為了演示實(shí)際應(yīng)用，該團(tuán)隊(duì)在物理儲(chǔ)層計(jì)算框架中使用人工突觸來識(shí)別以紅色、綠色和藍(lán)色記錄的不同人類運(yùn)動(dòng)。該系統(tǒng)在僅使用單個(gè)設(shè)備對(duì) 18 種不同的顏色和運(yùn)動(dòng)組合進(jìn)行分類時(shí)，實(shí)現(xiàn)了令人印象深刻的 82% 準(zhǔn)確率，而不是傳統(tǒng)系統(tǒng)中所需的多個(gè)光電二極管。

這項(xiàng)研究的影響延伸到多個(gè)行業(yè)。例如，在自動(dòng)駕駛汽車中，這些設(shè)備可以更有效地識(shí)別交通信號(hào)燈、路標(biāo)和障礙物。在醫(yī)療保健領(lǐng)域，它們可以為監(jiān)測(cè)生命體征（如血氧水平）的可穿戴設(shè)備供電，同時(shí)將電池消耗降至最低。

Ikuno 博士評(píng)論道：“我們相信這項(xiàng)技術(shù)將有助于實(shí)現(xiàn)具有接近人眼顏色辨別能力的低功耗機(jī)器視覺系統(tǒng)，應(yīng)用于自動(dòng)駕駛汽車的光學(xué)傳感器、醫(yī)療用途的低功耗生物識(shí)別傳感器和便攜式識(shí)別設(shè)備。