31、模拟视网膜形态电路：实现视网膜及类视网膜处理

模拟视网膜形态电路：实现视网膜及类视网膜处理

1. 引言

眼睛是一种生物感官系统，在进化过程中独立演化了五十多次。在有视觉的哺乳动物中，已经进化出了十种不同的视觉架构。视觉能力是一项重要的进化优势，所有生活在有光环境中的动物都发展出了某种形式的视觉。在一些黑暗区域，如深海，生物还发展出了发光过程来辅助基本视觉。

不同动物的视觉系统会通过微突变进行优化，以在各自的“边界条件”下有效工作，这其中涉及到能量成本、信号处理、图像传感与处理、信息传输、噪声和尺寸等方面的权衡。例如，“鹰的眼睛”常用来形容视力极佳的人，鹰虽然眼睛较小（进入的光线较少）、视觉皮层也较小（理论上处理能力较弱），但其视觉敏锐度却远高于人类。这是因为鹰的视觉系统是为特定任务设计的，如检测小物体的运动和进行高速成像；而人类需要在更广泛的空间尺度和环境中活动。

视网膜信号处理在生物湿技术平台上进行，进化出的视觉架构在这种环境中优化了我们的视觉能力，但也存在一定的优缺点。人体温度在36.1°C至37.8°C之间，在这个温度下，分子的构象和状态频繁变化，与硅相比，人体内部具有较高的熵，会产生更多的动态噪声。生物信号处理已经发展出一些技术来应对静态环境中动态范围的降低，这些技术可以直接应用于人工系统中，增加信息动态范围，但会牺牲时间分辨率。

硅电路和生物神经元都利用电荷分布和电流流动来处理信号，但生物系统的固有电阻远高于硅电路。生物神经元传导电信号的固有电阻率约为每厘米100欧姆，而连接集成电路的铝线固有电阻仅为每厘米2.4 x 10⁻¹⁰欧姆。人体通过离子的短距离顺序扩散（动作电位）来实现长距离的电荷转移，从而解决了电阻问题。

无机半导体技术和生物湿技术不仅在电学特性上有显著差异，在结