自古以來，蝗災(zāi)就對我國的農(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，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。讓人費解的是，蟲群中蝗蟲個體數(shù)量極多，飛行速度快，卻沒有“交通事故”的發(fā)生，真的是給咱早晚高峰時期擁堵的交通打了個結(jié)實的巴掌。
研究表明，蝗蟲體內(nèi)存在著一種叫做小葉大運動探測器（lobulagiant movement detector， LGMD）的神經(jīng)元，這個單神經(jīng)元細胞能夠探測到接近的目標(biāo)，并對視覺刺激執(zhí)行非線性的數(shù)學(xué)運算，以最小的能量觸發(fā)逃逸反應(yīng)，從而防止了數(shù)百萬個體的蝗蟲群在高速移動過程中碰撞事件的發(fā)生。
隨著機器人在安全性、便利性和自動化程度的提高，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。尤其是在自動駕駛領(lǐng)域，面對周圍車輛位置、障礙物信息與實時路況，碰撞監(jiān)測顯得至關(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)模的集成電路實現(xiàn)，然而能源消耗極大。令人震驚的是，蝗蟲、蒼蠅以及鴿子等動物體內(nèi)的碰撞監(jiān)測神經(jīng)元卻能夠讓它們在幾毫秒內(nèi)以極低的能量計算出復(fù)雜的碰撞動力學(xué)，從而安然逃生?？紤]到它們極為有限的腦資源，不得不說是一個奇跡。
鑒于此，美國賓州州立大學(xué)的SaptarshiDas課題組巧妙的將基于單層MoS2的光探測器件與浮柵晶體管型存儲器件垂直堆疊，創(chuàng)建了一個極低功耗的動態(tài)、非易失且可重構(gòu)的碰撞躲避監(jiān)測系統(tǒng)來模擬蝗蟲體內(nèi)的LGMD神經(jīng)元。該系統(tǒng)能夠及時的探測即將發(fā)生的碰撞，并以納焦耳級別的能量消耗觸發(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】
蝗蟲體內(nèi)的LGMD神經(jīng)元是一種獨特而復(fù)雜的神經(jīng)元，采用了分布式的計算架構(gòu)來協(xié)助處理視覺信息（圖1a），復(fù)眼中蜂窩狀的光感受器將視覺刺激轉(zhuǎn)換為電脈沖，經(jīng)過薄層，髓質(zhì)和小葉，傳送到LGMD神經(jīng)元的樹突狀扇出區(qū)。紅色區(qū)域的樹突分支接收前饋抑制，藍色區(qū)域的接收前饋激發(fā)和側(cè)抑制。研究表明，LGMD神經(jīng)元對接近物體的角大小和角速度進行乘法運算，并通過下列方程確定放電率（firingrate）
方程中t為時間，θTH是與物種相關(guān)的參數(shù)，決定了LGMD神經(jīng)元的發(fā)射頻率到達峰值時接近物體的角度大?。▓D1b）。根據(jù)方程，圖1c-e展示了LGMD神經(jīng)元對接近物體的興奮性反應(yīng)、抑制性反應(yīng)和放電率在時間維度上的演變。在即將碰撞時，放電率達到峰值，并傳遞給運動神經(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)測器件，由興奮性的光探測器件與抑制性的存儲器件相集成，在僅存在視覺刺激時，器件表現(xiàn)出興奮性反應(yīng)（圖1g），僅存在編程刺激時，器件表現(xiàn)出抑制性反應(yīng)（圖1h），當(dāng)外部的視覺刺激和內(nèi)部的編程刺激同時出現(xiàn)時，表現(xiàn)出類似于LGMD神經(jīng)元的非單挑逃逸反應(yīng)（圖1i）。
【單層MoS2光探測器的性能表征】
作者采用了藍色的LED光作為光源，測試了光探測器的反應(yīng)（圖2a），同時采用了周期性的具有不同振幅的LED信號來測試光探測器件對弱光的敏感性，并對其信噪比以及能耗進行了測試。
結(jié)果表明，信噪比隨著光源信號強度的降低而降低（圖2b），但是能耗卻可以在保持最佳信號探測的條件下呈指數(shù)型減?。▓D2c）。
圖2d和e展示了汽車駕駛過程中兩種典型的碰撞場景：與車相撞和與墻相撞。
在碰撞過程中，光探測器件接收到的視覺刺激持續(xù)增加（圖2f）。
此外，作者還通過調(diào)節(jié)LED光源電壓上升速率來模擬物體接近的速度。速率越快，光電流的上升越快（圖2g-j）。
實驗結(jié)果證明基于單層MoS2的光探測器件能夠?qū)咏奈矬w做出興奮性的反應(yīng)，這是設(shè)計碰撞躲避系統(tǒng)的關(guān)鍵。
【光探測器-浮柵晶體管集成電路的動態(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p++-Si/TiN/Pt界面形成的肖特基勢壘的影響（圖3c）。作者還對該集成進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，電流隨時間呈單調(diào)降低趨勢，證實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)】
通過結(jié)合光探測器的興奮性反應(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)）集成器件對不同視覺刺激的電流輸出情況如圖4a所示。輸出電流達到最小值的拐點（時間）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。作者還測試了集成器件對物體不同接近速度所需的碰撞時間（圖4b）和避免碰撞的能耗(圖4c)進行了表征，結(jié)果表明，該集成器件總能監(jiān)測到即將發(fā)生的碰撞，并以極低的能量（皮焦耳至納焦耳級別）觸發(fā)逃逸反應(yīng)。
【仿生碰撞躲避探測器模型】
為了加強實驗結(jié)果與仿生碰撞躲避探測器的興奮性光響應(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)計了一個虛擬源模型對實驗結(jié)果進行擬合與模擬。結(jié)果如圖5所示（a-f為實驗數(shù)據(jù)擬合，g-j為模擬數(shù)據(jù)）。值得關(guān)注的是，盡管實驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)高度擬合，該仿生碰撞躲避探測器件相較于LGMD神經(jīng)元仍存在不足，如
1.????器件僅使用了視覺刺激的一個特征，即物體接近的速度。
2.????單個器件僅能監(jiān)測到即將發(fā)生的碰撞，但不能確定碰撞物體接近的方向。
3.????如果視覺刺激不足以抵消編程刺激，該器件可能無法監(jiān)測到弱光強且移動緩慢的物體的接近。
總結(jié)：作者通過將基于單層MoS2的光探測器件與浮柵晶體管型存儲器件相集成，成功重現(xiàn)了蝗蟲體內(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)計算與感知方法將大大推動無人駕駛領(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
