【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】傳統(tǒng)人工嗅覺(jué)系統(tǒng)(如商用電子鼻)通常依賴數(shù)十乃至數(shù)千個(gè)分立傳感器構(gòu)建龐大陣列，不僅導(dǎo)致系統(tǒng)體積大(達(dá)數(shù)十平方厘米)、功耗高(毫瓦級(jí))，更因單一模態(tài)下不同氣體的響應(yīng)信號(hào)嚴(yán)重重疊而陷入“交叉敏感”困境，難以在微型化平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)高精度氣體識(shí)別。
 

　　中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所李紹娟研究員團(tuán)隊(duì)，受人類(lèi)視覺(jué)-嗅覺(jué)協(xié)同感知啟發(fā)，構(gòu)建了基于MoS2/SnS2浮柵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的雙模態(tài)神經(jīng)形態(tài)器件(Bionic visual-olfactory bimodal neuromorphic device, VOBND)。該器件不僅可獨(dú)立響應(yīng)光信號(hào)與氣體信號(hào)，還能在器件層面實(shí)現(xiàn)“傳感器內(nèi)數(shù)據(jù)融合”與“感知增強(qiáng)”，模擬大腦多感官信息融合的初步處理過(guò)程。該器件以僅148µm2的活性面積和3.4µW靜態(tài)功耗，實(shí)現(xiàn)了98.27%的氣體分類(lèi)準(zhǔn)確率，相比純嗅覺(jué)模式(52.24%)提升近一倍，并能在混合氣體場(chǎng)景下保持89.32%的識(shí)別精度。
 

　　相關(guān)成果以“Boosting Artificial Olfactory: Visual Cues-Enhanced Gas Classification by a Bimodal Neuromorphic Device”，為題發(fā)表于Advanced Materials期刊，通訊作者為李紹娟研究員、張楠副研究員以及Mario Lanza教授，研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、吉林省科技發(fā)展計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
 

　　仿生設(shè)計(jì)理念
 

　　仿生視覺(jué)的突觸可塑性
 

　　在視覺(jué)感知層面，器件展現(xiàn)出典型的光電突觸行為。單脈沖光刺激可引發(fā)持續(xù)近950秒的興奮性突觸后電流，且其響應(yīng)強(qiáng)度與光強(qiáng)、脈沖寬度及波長(zhǎng)呈非線性量化關(guān)系。雙脈沖異化實(shí)驗(yàn)表明，器件可編碼時(shí)序信息，其馳豫時(shí)間常數(shù)與生物突觸高度吻合。通過(guò)調(diào)節(jié)光脈沖數(shù)量與頻率，器件成功模擬了從短時(shí)程記憶向長(zhǎng)時(shí)程記憶的轉(zhuǎn)化，以及“學(xué)習(xí)-遺忘-再學(xué)習(xí)”的認(rèn)知強(qiáng)化過(guò)程，為人工視覺(jué)記憶提供了硬件基礎(chǔ)。
 

　　仿生嗅覺(jué)的氣體分子驅(qū)動(dòng)的興奮與抑制
 

　　針對(duì)工業(yè)與室內(nèi)環(huán)境中的典型氣體(氧化性NO2/SO2與還原性NH3/HCHO)，器件展示了雙極性的突觸響應(yīng)：還原性氣體引發(fā)興奮性電流增強(qiáng)，氧化性氣體則導(dǎo)致抑制性電流衰減。其理論檢測(cè)限低至ppb級(jí)別(NO2達(dá)74 ppb)。通過(guò)調(diào)控氣體脈沖的時(shí)長(zhǎng)、數(shù)量與頻率，器件實(shí)現(xiàn)了脈沖時(shí)長(zhǎng)依賴可塑性、脈沖數(shù)量依賴可塑性及脈沖頻率依賴可塑性，完整復(fù)現(xiàn)了生物嗅覺(jué)系統(tǒng)中興奮-抑制信號(hào)整合與記憶編碼的神經(jīng)動(dòng)力。
 

　　雙模態(tài)融合實(shí)現(xiàn)1+1>2感知增強(qiáng)
 

　　當(dāng)光信號(hào)與氣體刺激同時(shí)作用于器件時(shí)，二者產(chǎn)生協(xié)同或競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)。光誘導(dǎo)的載流子產(chǎn)生與氣體吸附/脫附過(guò)程相互調(diào)制，形成具有氣體特異性指紋特征的弛豫動(dòng)力學(xué)。例如，在氧化性氣體中，光脈沖加劇了電流抑制與快速恢復(fù)；而在還原性氣體中，則表現(xiàn)為電流增強(qiáng)與緩慢衰減。通過(guò)調(diào)節(jié)光脈沖占空比，器件可模擬從“嗅覺(jué)主導(dǎo)”到“視覺(jué)主導(dǎo)”的動(dòng)態(tài)感知權(quán)重分配，實(shí)現(xiàn)了生物多感官整合的關(guān)鍵功能。
 

　　雙模態(tài)融合助力嗅覺(jué)識(shí)別準(zhǔn)確度提升
 

　　采用全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與線性判別分析對(duì)12種不同濃度氣體進(jìn)行分類(lèi)驗(yàn)證。純嗅覺(jué)模式下各類(lèi)別響應(yīng)曲線嚴(yán)重重疊，整體準(zhǔn)確率僅52.24%；而引入視覺(jué)模態(tài)后，二維特征空間中的類(lèi)間距離顯著增大，類(lèi)內(nèi)凝聚度提升，整體準(zhǔn)確率躍升至98.27%。在更具挑戰(zhàn)性的51種混合氣體識(shí)別任務(wù)中，雙模態(tài)策略仍保持89.32%的準(zhǔn)確率，遠(yuǎn)超純嗅覺(jué)模式的準(zhǔn)確率(40.80%)，充分證明了視覺(jué)線索對(duì)嗅覺(jué)模糊信息的增強(qiáng)效應(yīng)。
 

　　本研究在器件層面實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)-嗅覺(jué)感知融合，通過(guò)光場(chǎng)調(diào)控氣體吸附動(dòng)力學(xué)，從根本上提升了單一傳感器的信息維度與識(shí)別能力。該策略為開(kāi)發(fā)極緊湊、超低功耗、高魯棒性的人工嗅覺(jué)系統(tǒng)提供了全新物理路徑，有望在微型機(jī)器人、可穿戴健康監(jiān)測(cè)及物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境感知等領(lǐng)域催生變革性應(yīng)用。未來(lái)，結(jié)合大規(guī)模二維材料生長(zhǎng)技術(shù)與脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，該架構(gòu)將有望構(gòu)建適應(yīng)未知環(huán)境的動(dòng)態(tài)在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)。
 

　　引用：新型雙模態(tài)神經(jīng)形態(tài)器件助力機(jī)器嗅覺(jué)準(zhǔn)確率翻倍 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 【2026年7月24日】