随着人工智能和物联网技术的飞速发展，模拟人类视觉系统的神经形态视觉系统（NVSs）成为了研究热点。仿生视觉系统旨在模仿人类视觉系统的信息感知和处理能力，广泛应用于机器视觉、自动驾驶、神经科学和物联网等领域。然而现有的仿生视觉系统在光谱响应范围、识别速度和颜色识别精度等方面仍存在诸多挑战。传统的视网膜形态有机光子突触（ROPSs）虽然在材料设计和器件结构上取得了一定进展，但其光谱响应范围有限，通常只能感知单色或双色光，且识别速度较慢，难以满足复杂环境下的视觉感知需求。相对罕见的多光谱颜色区分ROPS通常需要复杂的电路设计和特殊的材料组合。这些通常以非晶或多晶薄膜的形式出现，具有许多缺陷和晶界，导致响应速度较慢，从而限制了其应用范围和感知效率。
为了解决这一问题，
南京工业大学
黄维院士
、
刘举庆教授
、
李银祥副教授
团队
提出了
一种基于分子共晶策略的新型有机神经形态视觉传感器
，该传感器利用有机共晶材料在分子尺度的供体-受体互穿网络和电荷转移界面实现了从
紫外到近红外的
宽光谱（
365-1050 nm
）、超快速（
150 ms
）光感知
，
并具备高响应度（
15 A W
-1
）、高比探测率（
8.2
×
10
12
Jones
）、以及高颜色识别精度的特点
。双脉冲异化指数（PPF）高达195%。该研究为仿生视觉系统的进一步发展提供了新的思路。该研究以题为“Molecular cocrystal strategy for retinamorphic vision with UV-vis−NIR perception and fast recognition”的论文发表在最新一期《ACS Nano》上。
【分子共晶的制备与表征】
本研究选择7,7,8,8-四氰基对苯二醌二甲烷（TCNQ）和苝（Perylene）作为共晶组装的前驱体，通过
气液界面自组装
成功制备了
厘米级的分子共晶纳米线（
MCN
）网络
。该共晶纳米线具有高度有序的D-A排列和分子尺度的电荷转移界面，显著增强了光生载流子的吸收、分离和传输效率。作者通过紫外-可见-近红外吸收光谱、拉曼光谱、傅里叶变换红外光谱和X射线衍射等手段对MCN网络进行了详细表征。
图1.共晶纳米线网络的制备与形貌表征
图2.共晶纳米线的结构表征与分子堆积
【分子共晶视觉传感性能】
作者设计和研究了基于MCNs的平面型ROPS器件以执行视网膜突触的传感和预处理功能。对于该研究的ROPS器件，光刺激和导电通路分别作为生物突触中的突触前输入和突触后膜。受益于MCN网络的超宽吸收能力，基于共晶纳米线的平面光突触器件在
365-1050 nm
范围内表现出正光响应。并且该器件具有
与视网膜类似的光谱响应度趋势
，响应度（R）在530 nm处达到峰值，最高值为
15 A W
-1
，比探测率（D*）高达
8.2
×
10
12
Jones
，显示出优异的弱光探测能力。该器件表现出快速且可重复的光开关行为，这意味着其出色的
光稳定性和循环稳定性
。此外，器件的响应时间为
150 ms
，与人类眼睛的响应时间相当，表明其在图像识别中具有高效的学习能力。
作者进一步研究了该器件的光突触可塑性行为。通过模拟生物神经网络中的突触可塑性，器件展示了
兴奋性突触后电流（
EPSC
）和延迟光电导行为（
PPC
）
，类似于生物神经网络中神经递质的增强和逐渐释放。这种持续的光电导效应归因于材料与金属电极之间界面缺陷对电子的捕获，这些被捕获的电子在光刺激移除后逐渐释放，从而延长了光衰减时间。此外，器件还展示了
脉冲强度依赖性可塑性（
SIDP
）
和
脉冲数量依赖性可塑性（
SNDP
）
，突触强度随着光脉冲强度或数量的增加而显著增强，表明器件不仅是一个探测器，还具有集成的传感和记忆功能。通过计算双脉冲易化（PPF）指数，研究团队发现器件的PPF指数在100 ms的脉冲间隔下达到
195%
，显示出优异的生物突触模拟能力。
此外，作者还探索了基于MCN网络的ROPS器件在图像颜色识别中的应用。通过将器件与卷积神经网络（CNN）结合，构建了一个视觉系统，能够从彩色图像中提取蓝色特征并过滤掉红色和绿色噪声。实验结果表明，经过ROPS器件预处理的图像识别准确率从12%显著提高到90%，接近原始数据集的识别准确率（95%）。这一结果证明了ROPS器件在提取特征信息、减少冗余数据和噪声方面的卓越能力，为后续的图像识别提供了精确可靠的视觉数据。
图3.分子共晶器件的光探测性能表征
图4.分子共晶器件的光突触可塑性表征
图5.分子共晶视觉传感器在颜色识别中的应用
总结
通过分子共晶策略成功制备了一种高效的宽光谱光突触器件，实现了从紫外到近红外的宽光谱感知和快速识别。该器件具有优异的光电性能，包括15 A W
-1
的响应度、8.2×10
12
Jones的比探测率和150 ms的快速响应时间，并展示了类似生物突触的光突触可塑性行为。通过将器件与卷积神经网络结合，研究团队实现了90%的图像识别准确率。这项研究不仅为仿生视觉系统的设计提供了新的材料和方法，还为多光谱颜色识别的光突触器件的开发奠定了基础。未来，研究团队计划进一步探索其他有机共晶材料在宽光谱感知和快速识别中的应用，推动神经形态视觉技术的进一步发展。
