用于类脑计算、显示与节能的多功能微型器件

为何更智能的屏幕重要

从手机到广告牌，我们的生活被发光屏幕所包围。然而大多数显示器仅仅呈现图像；它们不会感知周围环境、不会适应变化的光照，也不会帮助处理所显示的图像。本文报道了一种微小的发光器件，它同时具备这三种功能：能够感光、像神经元一样记忆信号，并在显示图像的同时节省能量。这类“有思维的像素”有望在未来催生超高效、智能的手机、可穿戴设备和增强现实显示屏。

能看能记忆的微小像素

工作的核心是一种微观发光二极管（micro‑LED），由超薄半导体层精心构建。其结构被工程化为同一器件既能发射蓝光又能作为光传感器使用。即便在零外加电压下，被照射时它也会产生可测电流，这意味着它可以自供能地检测光。该微型 LED 对近紫外和蓝光波段响应最强，并且响应迅速，开关仅需几毫秒——足以满足实时成像与感测的需求。

借鉴人眼与大脑的工作方式

该设计的灵感来自于眼睛与大脑协同工作的方式。在生物系统中，视网膜将光信号转化为电信号，这些信号在视觉皮层中被处理，同时我们仍能看到图像。研究者在硬件中模拟了这一思路：他们的 micro‑LED 既将光转换为电信号，又产生可见光用于显示。在低电压或零电压下，它表现为探测器，利用层状结构分离光生电荷；在正向电压下，这些电荷复合并发射蓝光。通过将感测、信号转换和光发射集成到单一像素中，该器件避免了当前显示系统中分立芯片之间来回转换所造成的能量浪费。

具备短期记忆的像素

当团队向 micro‑LED 施加一列短电压脉冲时，其电学响应并非简单重复——而是逐步增强。每个脉冲都会在材料中的微小缺陷里留下部分被捕获的电荷。下一次脉冲来临时，这些存储电荷被释放并叠加到新信号上，类似于生物突触在活动后短暂变强的现象。这种“短时增强”是一种基本的记忆形式。由于器件会记住近期脉冲，随后脉冲可以用更少的电能达到相同亮度。在优化条件下，十二次脉冲就能使有效能耗相比传统连续驱动的像素降低约4.5％。

从巧妙的像素到智能视觉

作者接着探讨了这种类突触像素在更大系统中的潜能。他们以实测器件行为为构件，模拟了一个由28×28像素组成的阵列，馈入一种受生物启发的计算模型——脉冲神经网络。该虚拟系统在一个标准的时尚图像集（鞋子、衬衫、大衣等）上进行训练，以测试识别和噪声去除性能。得益于器件的记忆样响应，模拟网络能够在保持边缘和形状的同时锐化模糊、带噪的图像。经过二十轮训练后，识别准确率超过了88％，表明带有内建记忆与光处理能力的硬件可以支持有意义的图像处理任务。

对未来屏幕的可能影响

对非专业读者而言，关键信息是：单个经过精心工程设计的 micro‑LED 就能同时担任光传感器、记忆元件和显示像素的角色，并在一定程度上降低功耗。未来设备可能不再依赖独立的相机、处理器和屏幕芯片，而是将这些功能合并到能看、能记、能显示的“有思维”像素层中。如果能规模化，这类类脑显示或能带来更薄、更省电且能自适应环境变化的电子设备，使我们更接近于像人眼与大脑那样工作的视觉系统。

引用: Hou, B., Yin, J., Zhao, Y. et al. Multifunctional micro-devices for neuromorphic computing, display and energy saving. npj Unconv. Comput. 3, 9 (2026). https://doi.org/10.1038/s44335-026-00058-4

关键词: 类脑显示, 微型 LED, 节能屏幕, 图像识别, 光电突触