中国科学院上海技术物理研究所胡伟达研究员、苗金水研究员团队、王芳青年研究员等在动目标智能感知与光电计算融合研究方面取得重要突破。受自然界生物感知系统启发，研究团队围绕红外光电存储与神经形态感知构建新型异质结器件体系，实现了对高速、红外动目标的实时感知、记忆与识别，为未来高能效机器视觉与边缘智能提供了关键支撑。相关成果近期分别发表在国际权威期刊《自然·通讯》（Nature Communications）和《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）上。
当前，红外智能感知广泛应用于安全监测、灾害预警、自动驾驶等重要领域。然而，传统视觉系统普遍依赖冯·诺依曼架构，在信息传输与处理过程中面临高延迟、高能耗等挑战，难以满足复杂场景下的实时识别需求。受生物感知机制启发，研究团队提出面向“感知-存储-计算”一体化的新型生物启发的光电探测系统，突破传统器件架构壁垒，显著提升了动态视觉处理能力。
其中，一项关键研究基于火甲虫对中红外火焰信号的敏锐感知机制。该昆虫通过其胸部特化的坑状器官感知森林火灾中微弱的红外辐射，即使在高速飞行状态下，仍能实现对火源位置与运动方向的精准定位。受此启发，上海技物所团队联合同济大学黄佳、杨洁团队构建了基于PdSe₂/并五苯异质结构的中红外神经形态晶体管。PdSe₂提供中红外高吸收能力，并五苯则作为有机半导体材料模拟生物突触的可塑性行为。该器件不仅实现了3–4.25 μm中红外波段内兴奋性突触响应和成对脉冲易化（PPF）效应，且在0.5 mW/cm²入射强度下即可工作，灵敏度接近火甲虫的生理感知阈值。
基于此器件阵列团队设计了储备池计算（Reservoir Computing）框架，研究人员成功实现了中红外动态轨迹的识别与方向分类。在627–927°C火焰模拟场景中，系统准确率达到94.79%，展示出优异的抗干扰能力和稳定性，标志着中红外神经形态视觉系统在实际复杂场景下的可行性。
另一方面，研究团队还聚焦于实现类视网膜高速红外光电存储与动目标追踪的协同集成。通过构建BP/InSe二维范德华异质结结构，发现了非平凡带带隧穿（critical band-to-band tunneling）效应，首次实现在520–980 nm宽谱范围内可见-近红外的低能红外光子隧穿与非易失性存储。该机制显著优于传统photogating或浮栅器件，在不牺牲响应速度的前提下，抑制了拖尾与模糊现象，实现了500 ns级别的光存储速度。
在模拟动目标追踪实验中，该器件在高速光脉冲激励下展现出清晰稳定的成像结果，并通过光流法进行帧间特征点匹配，优于低速存储器件，有效提高了目标定位精度。研究表明，该关键隧穿机制不仅提升了系统的时间分辨率，还通过能带结构匹配压缩了能耗，为近红外光电计算系统的设计提供了新思路。
两项研究从仿生启发—材料异质集成—新型物理机制—系统级验证形成完整闭环，展现了上海技物所在新一代光电计算范式领域的前瞻布局与原创突破。研究团队未来将进一步探索多谱段融合、可重构神经网络与片上学习机制，推进智能红外视觉系统向更高维度的感知与决策演进。
上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划支持。
图1 基于PdSe2/pentacene 异质结构的受生物启发的中红外神经形态晶体
图2 基于BP/InSe 的非平凡带带隧穿光电存储器
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-60311-5
https://www.nature.com/articles/s41377-025-01756-7
供稿、供图：苗金水
编辑：虞慧娴
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