自古以來(lái)，蝗災(zāi)就對(duì)我國(guó)的農(nóng)業(yè)造成了巨大的影響。今年的蝗災(zāi)尤其嚴(yán)重，蝗群飛過(guò)，寸草不生。大規(guī)模的蝗群更是遮天蔽日，恰有一種“黑云壓城城欲摧”的氣勢(shì)。讓人費(fèi)解的是，蟲(chóng)群中蝗蟲(chóng)個(gè)體數(shù)量極多，飛行速度快，卻沒(méi)有“交通事故”的發(fā)生，真的是給咱早晚高峰時(shí)期擁堵的交通打了個(gè)結(jié)實(shí)的巴掌。
研究表明，蝗蟲(chóng)體內(nèi)存在著一種叫做小葉大運(yùn)動(dòng)探測(cè)器（lobulagiant movement detector， LGMD）的神經(jīng)元，這個(gè)單神經(jīng)元細(xì)胞能夠探測(cè)到接近的目標(biāo)，并對(duì)視覺(jué)刺激執(zhí)行非線性的數(shù)學(xué)運(yùn)算，以最小的能量觸發(fā)逃逸反應(yīng)，從而防止了數(shù)百萬(wàn)個(gè)體的蝗蟲(chóng)群在高速移動(dòng)過(guò)程中碰撞事件的發(fā)生。
隨著機(jī)器人在安全性、便利性和自動(dòng)化程度的提高，其在交通、制造以及醫(yī)療外科等領(lǐng)域的應(yīng)用顯著增長(zhǎng)。尤其是在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，面對(duì)周?chē)?chē)輛位置、障礙物信息與實(shí)時(shí)路況，碰撞監(jiān)測(cè)顯得至關(guān)重要。目前基于圖像處理算法的碰撞躲避模型已經(jīng)能夠使用超大規(guī)模的集成電路實(shí)現(xiàn)，然而能源消耗極大。令人震驚的是，蝗蟲(chóng)、蒼蠅以及鴿子等動(dòng)物體內(nèi)的碰撞監(jiān)測(cè)神經(jīng)元卻能夠讓它們?cè)趲缀撩雰?nèi)以極低的能量計(jì)算出復(fù)雜的碰撞動(dòng)力學(xué)，從而安然逃生?？紤]到它們極為有限的腦資源，不得不說(shuō)是一個(gè)奇跡。
鑒于此，美國(guó)賓州州立大學(xué)的SaptarshiDas課題組巧妙的將基于單層MoS2的光探測(cè)器件與浮柵晶體管型存儲(chǔ)器件垂直堆疊，創(chuàng)建了一個(gè)極低功耗的動(dòng)態(tài)、非易失且可重構(gòu)的碰撞躲避監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)模擬蝗蟲(chóng)體內(nèi)的LGMD神經(jīng)元。該系統(tǒng)能夠及時(shí)的探測(cè)即將發(fā)生的碰撞，并以納焦耳級(jí)別的能量消耗觸發(fā)逃逸反應(yīng)。該研究以題為“Alow-power biomimetic collision detector based on an in-memory molybdenumdisulfide photodetector”的論文發(fā)表在最新一期的《Nature Electronics》上。
【碰撞躲避的神經(jīng)算法】
蝗蟲(chóng)體內(nèi)的LGMD神經(jīng)元是一種獨(dú)特而復(fù)雜的神經(jīng)元，采用了分布式的計(jì)算架構(gòu)來(lái)協(xié)助處理視覺(jué)信息（圖1a），復(fù)眼中蜂窩狀的光感受器將視覺(jué)刺激轉(zhuǎn)換為電脈沖，經(jīng)過(guò)薄層，髓質(zhì)和小葉，傳送到LGMD神經(jīng)元的樹(shù)突狀扇出區(qū)。紅色區(qū)域的樹(shù)突分支接收前饋抑制，藍(lán)色區(qū)域的接收前饋激發(fā)和側(cè)抑制。研究表明，LGMD神經(jīng)元對(duì)接近物體的角大小和角速度進(jìn)行乘法運(yùn)算，并通過(guò)下列方程確定放電率（firingrate）
方程中t為時(shí)間，θTH是與物種相關(guān)的參數(shù)，決定了LGMD神經(jīng)元的發(fā)射頻率到達(dá)峰值時(shí)接近物體的角度大?。▓D1b）。根據(jù)方程，圖1c-e展示了LGMD神經(jīng)元對(duì)接近物體的興奮性反應(yīng)、抑制性反應(yīng)和放電率在時(shí)間維度上的演變。在即將碰撞時(shí)，放電率達(dá)到峰值，并傳遞給運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元，觸發(fā)逃逸反應(yīng)。
圖1f為借鑒于LGMD神經(jīng)元的碰撞監(jiān)測(cè)器件，由興奮性的光探測(cè)器件與抑制性的存儲(chǔ)器件相集成，在僅存在視覺(jué)刺激時(shí)，器件表現(xiàn)出興奮性反應(yīng)（圖1g），僅存在編程刺激時(shí)，器件表現(xiàn)出抑制性反應(yīng)（圖1h），當(dāng)外部的視覺(jué)刺激和內(nèi)部的編程刺激同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，表現(xiàn)出類(lèi)似于LGMD神經(jīng)元的非單挑逃逸反應(yīng)（圖1i）。
【單層MoS2光探測(cè)器的性能表征】
作者采用了藍(lán)色的LED光作為光源，測(cè)試了光探測(cè)器的反應(yīng)（圖2a），同時(shí)采用了周期性的具有不同振幅的LED信號(hào)來(lái)測(cè)試光探測(cè)器件對(duì)弱光的敏感性，并對(duì)其信噪比以及能耗進(jìn)行了測(cè)試。
結(jié)果表明，信噪比隨著光源信號(hào)強(qiáng)度的降低而降低（圖2b），但是能耗卻可以在保持最佳信號(hào)探測(cè)的條件下呈指數(shù)型減?。▓D2c）。
圖2d和e展示了汽車(chē)駕駛過(guò)程中兩種典型的碰撞場(chǎng)景：與車(chē)相撞和與墻相撞。
在碰撞過(guò)程中，光探測(cè)器件接收到的視覺(jué)刺激持續(xù)增加（圖2f）。
此外，作者還通過(guò)調(diào)節(jié)LED光源電壓上升速率來(lái)模擬物體接近的速度。速率越快，光電流的上升越快（圖2g-j）。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明基于單層MoS2的光探測(cè)器件能夠?qū)咏奈矬w做出興奮性的反應(yīng)，這是設(shè)計(jì)碰撞躲避系統(tǒng)的關(guān)鍵。
【光探測(cè)器-浮柵晶體管集成電路的動(dòng)態(tài)閾值電壓工程】
要模擬LGMD神經(jīng)元的逃逸反應(yīng)，還需要浮柵晶體管器件的協(xié)助。圖3a和b顯示了該集成電路在不同幅值的編程刺激下的轉(zhuǎn)移曲線，幅值越大，閾值電壓越高。這一現(xiàn)象主要源于柵極偏壓對(duì)p++-Si/TiN/Pt界面形成的肖特基勢(shì)壘的影響（圖3c）。作者還對(duì)該集成進(jìn)行了不同幅值的編程刺激，并讀取其輸出電流（圖3d-g）。結(jié)果表明，電流隨時(shí)間呈單調(diào)降低趨勢(shì)，證實(shí)該施加于柵極的編程刺激可以模擬抑制性反應(yīng)。此外，這種由編程刺激引入的抑制性反應(yīng)能耗極低（500 飛焦耳，Vp=7.5 V），是碰撞躲避系統(tǒng)能夠成功避免碰撞的關(guān)鍵。
【重現(xiàn)LGMD神經(jīng)元的逃逸反應(yīng)】
通過(guò)結(jié)合光探測(cè)器的興奮性反應(yīng)和浮柵晶體管器件的抑制性反應(yīng)，作者成功重現(xiàn)了LGMD神經(jīng)元的逃逸反應(yīng)。在編程刺激背景下（抑制性反應(yīng)）集成器件對(duì)不同視覺(jué)刺激的電流輸出情況如圖4a所示。輸出電流達(dá)到最小值的拐點(diǎn)（時(shí)間）由施加在LED光源上的電壓上升速率（目標(biāo)接近的速度）決定。作者還測(cè)試了集成器件對(duì)物體不同接近速度所需的碰撞時(shí)間（圖4b）和避免碰撞的能耗(圖4c)進(jìn)行了表征，結(jié)果表明，該集成器件總能監(jiān)測(cè)到即將發(fā)生的碰撞，并以極低的能量（皮焦耳至納焦耳級(jí)別）觸發(fā)逃逸反應(yīng)。
【仿生碰撞躲避探測(cè)器模型】
為了加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿生碰撞躲避探測(cè)器的興奮性光響應(yīng)、抑制性編程響應(yīng)和非單調(diào)的逃逸響應(yīng)的物理根源之間的相關(guān)性，作者設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬源模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合與模擬。結(jié)果如圖5所示（a-f為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，g-j為模擬數(shù)據(jù)）。值得關(guān)注的是，盡管實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)高度擬合，該仿生碰撞躲避探測(cè)器件相較于LGMD神經(jīng)元仍存在不足，如
1.????器件僅使用了視覺(jué)刺激的一個(gè)特征，即物體接近的速度。
2.????單個(gè)器件僅能監(jiān)測(cè)到即將發(fā)生的碰撞，但不能確定碰撞物體接近的方向。
3.????如果視覺(jué)刺激不足以抵消編程刺激，該器件可能無(wú)法監(jiān)測(cè)到弱光強(qiáng)且移動(dòng)緩慢的物體的接近。
總結(jié)：作者通過(guò)將基于單層MoS2的光探測(cè)器件與浮柵晶體管型存儲(chǔ)器件相集成，成功重現(xiàn)了蝗蟲(chóng)體內(nèi)LGMD神經(jīng)元的生理功能。這種內(nèi)存內(nèi)（in-memory）特定任務(wù)計(jì)算與感知方法將大大推動(dòng)無(wú)人駕駛領(lǐng)域低成本低能源的碰撞躲避系統(tǒng)的發(fā)展。
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https://www.nature.com/articles/s41928-020-00466-9
