賓州州立大學的研究人員開發了一種模仿人眼的設備，以防止自駕車在光線變化的情況下失去視覺。這是一種新型的「光記憶電阻器」，能夠在幾秒鐘內適應由明亮到黑暗的混合光線。賓州州立大學工程科學與力學的詹姆斯·L·亨德森副教授表示：「自駕車在使用中面臨各種光線水平的混合——想像一下夜間駕駛時黑暗天空與其他車輛亮燈之間的對比。」他補充道：「在這些混合的光線條件下，人工光學系統很難區分細節，例如紅燈的微光。」
儘管配備了先進的攝像頭和強大的人工智能，自動駕駛汽車在遇到高對比度的光照環境時仍然相當脆弱。這些機器眼在穩定的天氣條件下表現良好，但對於突然的強光閃爍，例如在黑暗的午夜天空中迎面而來的車燈，則不太適應。這可能導致系統產生災難性的數據故障，使車輛失去視覺。這支工程團隊最終找到了應對之道，而關鍵在於模仿人眼的濕潤、有機機制。研究人員展示了一種微型硬件組件，可以在幾秒鐘內從刺眼的亮度轉換到深邃的陰影。
雖然我們的眼睛需要大約 20 到 30 分鐘才能完全適應極端的光線變化，但這個人工系統幾乎可以瞬間完成過渡。
新型光記憶電阻器能迅速適應光線變化
為了實現這一目標，科學家們必須重新思考計算機如何處理光線。標準攝像頭捕捉圖像並將其傳送到一個單獨的計算機大腦進行分析，這需要時間和巨大的計算能力。該團隊使用了光記憶電阻器，這是一種顯微電氣組件，能同時感知光線並將其儲存為數據，模仿神經元的運作。但關鍵的發展在於這些設備如何管理靈敏度。
人眼使用桿狀細胞應對低光環境，而在明亮的條件下則使用錐狀細胞。當強光照射到眼睛時，桿狀細胞中的色素會暫時「漂白」，使錐狀細胞接管。為了模仿這一過程，研究人員將一種名為二氧化鈦的粉狀白色化合物與一種彈性、凝膠狀的塑膠材料 PEDOT:PSS 結合。二氧化鈦捕捉環境光並將其轉換為電流。該電流迫使塑膠層與周圍空氣反應。在黑暗中，塑膠迅速吸收水蒸氣並膨脹；而在明亮的光照下，它則快速乾燥。
這種自動的出汗和膨脹功能就像是光的物理音量旋鈕，能夠自我調節。
為了測試這項技術，研究人員建立了一個微型 4×4 網格並將其與人工智能神經網絡配對。他們給予系統一個經典的眼科醫生挑戰：在明亮的背景下識別微弱的字母「F」。該系統毫不畏懼。經過七輪訓練後，該設備在模式識別中的準確率達到驚人的 95%。這一成果的影響遠不止於避免公路事故。該團隊已經申請了臨時專利以擴大其用途。未來，工廠機器人可以在不穩定、閃爍的工業環境中無縫運作。更重要的是，詹姆斯·鄭相信這項技術最終能夠產生複雜的人工光學，為視障人士提供自適應、可靠的視覺。
這項研究的成果已於 6 月 9 日發表在《自然通訊》期刊上。
