豆瓣高分美劇《了不起的麥瑟爾夫人》故事背景為 20 世紀 50、60 年代，女主爸爸是在哥倫比亞大學擔任終身教授的數(shù)學家，當他得知女兒兼職脫口秀演員時，十分震驚和不解。
幾十年后的今天，在中國香港“卻有”一位科學家在兼職脫口秀，他就是即將加入華為公司的香港理工大學博士后廖付友。
圖 | 論文第一作者廖付友博士表演脫口秀（來源：廖付友）
其研究方向是半導體器件與工藝，2022 年大年初三，廖付友和導師港理工應(yīng)用物理系教授柴揚，在 Nature Electronics 發(fā)了一篇論文。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Nature Electronics）
農(nóng)歷大年初八，Nature 官網(wǎng)以研究亮點（RESEARCH HIGHLIGHT）形式報道了這一工作，其上寫道：“適應(yīng)各種光強度半導體的器件，或可用于自動駕駛汽車和工業(yè)生產(chǎn)線。”
圖 | Nature 官網(wǎng)研究亮點報道（來源：Nature 官網(wǎng)）
模擬人眼視網(wǎng)膜，研發(fā)仿生視覺適應(yīng)傳感器
該工作的背景在于，在人類生活環(huán)境中，從烈日當空的正午、到伸手不見五指的漆黑夜晚，自然光的強度分布非常廣。如何在不同光照條件下準確提取外部環(huán)境的信息，是一個基礎(chǔ)科學問題，具有非常實際應(yīng)用的意義。
隨著機器視覺的發(fā)展、及其在自動駕駛和實時視頻分析等領(lǐng)域的應(yīng)用，高分辨率、高圖像捕獲速度成為視覺傳感器的必備能力，具體體現(xiàn)為良好的穩(wěn)定性、以及寬感知范圍，即在不同光照強度下感知目標的能力。
據(jù)悉，地球上自然光強度的分布超過 280dB，因此對于正確感知環(huán)境來說，在不同光照下準確捕獲圖像尤為重要。這就要求光電器件在弱光、以及亮光照明下，必須準確捕捉和感知細節(jié)。
目前，市場上主流的硅基 CMOS（互補金屬氧化物半導體，Complementary metal Oxide Semiconductor）圖像傳感器通常只有 70dB 的感知范圍，遠低于自然場景的光強變化范圍。
為實現(xiàn)較寬的感知范圍，此前有學者探索過控制光學孔徑、使用液態(tài)透鏡、調(diào)節(jié)曝光時間、以及后端去噪算法等方法，但這些方法通常需要復雜的硬件和軟件資源。
因此非常有必要在傳感器終端發(fā)展出一種具有視覺適應(yīng)功能和寬感知范圍的光電器件，從而改善機器視覺的功能、降低硬件復雜性、并提升高圖像識別效率。
相比硅基光電探測器，人眼的光接收細胞感知范圍比較有限只有 40dB，但是人眼的視覺適應(yīng)功能讓我們可以感知和識別不同光照條件下的各種物體，哪怕是從較暗環(huán)境、轉(zhuǎn)換到較亮環(huán)境中。
（來源：Nature Electronics）
人眼的視覺適應(yīng)機制，依賴于每個光接收細胞在不同光照條件下光靈敏度的動態(tài)調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)原理是在不同光照條件下，水平細胞控制視錐和視桿細胞之間的轉(zhuǎn)換、以及光色素的產(chǎn)生和消失。
在該工作中，柴揚和團隊研發(fā)出一種基于底柵光電晶體管陣列的仿生視覺適應(yīng)傳感器。該器件模擬了水平細胞和光接收細胞的結(jié)構(gòu)，具有視覺亮適應(yīng)和暗適應(yīng)的功能，有效感知范圍達到 199dB。
利用這款傳感器，可在不借助大體積光學組件、以及復雜外圍電路和后端信號處理的條件下，實現(xiàn)視覺適應(yīng)功能和寬感知范圍。
（來源：Nature Electronics）
柴揚表示，其團隊在 5 年前就已開展光電存儲器的研究，這種新型器件能將光傳感與光信息處理的功能在單一器件中完成。
2018 年，該團隊發(fā)表了第一篇關(guān)于將光傳感器與邏輯信息處理集成的論文[2]。隨后，在此研究基礎(chǔ)上進一步開展，2019 年柴揚等人設(shè)計并利用光控阻變隨機存儲器實現(xiàn)了圖像感知和圖像預處理的功能[3]。
在 2020 年，他們又率先提出近傳感器和傳感器內(nèi)計算的方法[4,5]。人眼視網(wǎng)膜可以感知外界光信號，并根據(jù)光照強度自動調(diào)節(jié)光接收細胞的靈敏度，從而適應(yīng)不同的背景光強度，這便是視網(wǎng)膜的視覺適應(yīng)功能。
（來源：Nature Electronics）
例如，去電影院的時候，從明亮大廳走進黑暗電影廳時，剛開始眼前一片漆黑，過段時間后才能看清周圍環(huán)境，這便是視覺暗適應(yīng)過程。
而在剛看完電影從電影院走出來后，假如走在陽光下會覺得很刺眼，要等一會才能看清周圍的景物，這一過程叫視覺亮適應(yīng)，這和視覺暗適應(yīng)過程正好相反。
受到視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)和功能的啟發(fā)，柴揚開始研究具備視覺適應(yīng)功能的仿生視覺傳感器。
他說，雖然此前也有類似工作的少量報道，但往往只能實現(xiàn)視覺亮適應(yīng)功能，并不能模擬視網(wǎng)膜的暗適應(yīng)過程，距離完整的視覺適應(yīng)功能還有較大距離，最主要原因在于很難讓同一個光電器件同時擁有光電增強和光電抑制這兩種相反的特性。
為解決這一難題，該團隊設(shè)計了光電晶體管型的視覺傳感器，通過施加不同的柵極電壓的來控制器件視覺亮適應(yīng)和暗適應(yīng)程度，從而模擬視網(wǎng)膜中光接收細胞和水平細胞的結(jié)構(gòu)和功能，最終制備出仿生視覺適應(yīng)傳感器。
有潛力用于自動駕駛、人臉識別和太空探測
柴揚介紹稱，該成果有潛力應(yīng)用于自動駕駛、人臉識別和太空探測。在自動駕駛領(lǐng)域當汽車突然進入非常暗或非常亮的環(huán)境中時，視覺傳感器可根據(jù)光照條件在傳感端，實現(xiàn)光靈敏度的調(diào)節(jié)，進而準確感知圖像。這樣的好處在于，無需經(jīng)過后端圖像處理器或云端信息處理，大大提升了系統(tǒng)的信息處理效率。
人臉識別也是一個重要應(yīng)用場景，當室外攝像頭工作時，晝夜光強變化范圍大，無論是白天的強光還是夜間的黑暗，視覺傳感器能根據(jù)背景光強度，去調(diào)節(jié)光靈敏度從而準確識別人臉。
在太空探測領(lǐng)域，太空中或一些星球上的光強分布范圍很廣，把具有視覺適應(yīng)功能的寬感知范圍視覺傳感器應(yīng)用在探測設(shè)備上，除了正常光照條件下的感知外，還可以在極端光照條件下（極弱或者極強光）探測外界環(huán)境和識別目標。
這時，假如在機器人中使用具有視覺適應(yīng)功能的仿生視覺傳感器，將進一步提升機器人視覺系統(tǒng)的智能程度。
（來源：Nature Electronics）
對于后續(xù)計劃，柴揚表示盡管此次展示了仿生視覺適應(yīng)傳感器的概念，并且具有較大的感知范圍，但是視覺適應(yīng)速度也和人眼的適應(yīng)速度相當，因此要想應(yīng)用在實際產(chǎn)品中，還有一系列問題需要解決。
柴揚曾表示其目標是“開發(fā)未來可廣泛應(yīng)用于半導體行業(yè)的器件結(jié)構(gòu)”。該團隊的后續(xù)計劃主要有四方面：其一，進一步提升器件的視覺適應(yīng)速度，以實現(xiàn)微妙到幾十微秒量級；其二，進一步降低器件功耗，把器件現(xiàn)有功耗再降低 10 倍以上；其三，實現(xiàn)更大規(guī)模的器件陣列制備，近期目標是 100×100；其四，實現(xiàn)異質(zhì)集成，將仿生視覺適應(yīng)傳感器和硅基控制電路集成在一起。
（來源：Nature Electronics）
另據(jù)悉，該團隊的科研成果還曾受到香港特區(qū)行政長官林鄭月娥的關(guān)注。2021 年 7 月，香港特區(qū)行政長官林鄭月娥前來香港理工大學參觀訪問，柴揚科研團隊通過實物演示和講解的方式，向特首介紹了仿生視覺適應(yīng)傳感器。聽完介紹后，林鄭月娥非常感興趣，并詢問了該成果的應(yīng)用前景和產(chǎn)業(yè)化問題，最后鼓勵他們做出更多的成果。
放棄春節(jié)休息，大年初一堅持科研
據(jù)悉，此次發(fā)表發(fā)論文項目始于 2020 年，當時香港的新冠疫情非常嚴重，論文第一作者廖付友冒著疫情逆向而行來到香港加入柴揚團隊。
圖 | 柴揚團隊于 2021 年 4 月在香港太平山頂合影
（左一為論文第一作者廖付友博士，左四為論文通訊作者柴揚老師）
在香港隔離結(jié)束后，廖付友立馬全身心投入研究，在最初幾個月，實驗進展并不順利，早期實驗方案均以失敗告終。團隊成員一起反復討論找出問題所在，重新設(shè)計方案之后，一步一步取得新進展。
2021 年農(nóng)歷大年三十，該團隊收到了韓國合作方安炯炫（Jong Hyun Ahn）郵寄的最新樣品。2021 年農(nóng)歷正月初一到初四春節(jié)假期時間，廖付友放棄休假，每天從早上 8 點到晚上 10 點連續(xù)測試四天，取得了更多的進展。
柴揚表示，廖付友生性樂觀，善于把團隊成員揉合在一起，并能與外部合作者有效溝通，為團隊起到了不可替代的傳幫帶的作用。
在科研以外，廖付友興趣愛好廣泛，曾考取 IFBB（International Federation of Bodybuilding and Fitness，國際健美聯(lián)合會）健身教練證書和IBFA（International Body Resistance And Fitness Training Association，國際身體阻力與體適能訓練協(xié)會）營養(yǎng)師證書，經(jīng)常給課題組成員科普健身知識，給團隊塑造出強身健體的氛圍。
此外如前文所述，廖付友還是深圳某脫口秀俱樂部的兼職演員，擅長將科研生活改編成段子。平日里，他風趣幽默的說話方式給課題組的日常生活帶了一些樂趣。
對于未來的職業(yè)發(fā)展，廖付友表示，博后結(jié)束后將會加入上海華為技術(shù)有限公司，繼續(xù)從事半導體器件與工藝方面的研發(fā)工作，希望自己這些年的研究經(jīng)驗可以繼續(xù)在工業(yè)界發(fā)光發(fā)熱。
