Neuromorphic Infrared Fibre-Optic Event-Based Sensing with Fast and Efficient Photonic-Electronic Spiking Neurons
本文提出了一种新型神经形态红外光纤传感系统，该系统利用光探测共振隧穿二极管作为光触发脉冲神经元，以实现对温度、运动和音频等环境现象的快速、低能耗且事件驱动的远程检测，从而克服了传统光子传感的数据冗余和处理限制。
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在现代世界中，我们的传感器经常被它们收集的海量数据所淹没。无论是监测桥梁裂缝、追踪天气模式，还是监听入侵者，传统的设备都会捕捉连续的信息流，无论是否有重要情况发生，都会记录每一刻。这种持续的记录消耗了大量的能量，并需要庞大的存储系统，从而造成了决策速度下降的瓶颈。然而，自然界早已解决了这个问题。生物感官（如我们的眼睛和耳朵）并不记录稳定的数据流；相反，它们基于事件驱动运行。它们在没有变化时保持静默，只有当新事件发生时，才会向大脑发送一个快速信号。这种方法极其高效，仅使用极少的能量来传递真正重要的信息。科学家们长期以来一直试图制造模仿这种生物效率的机器，即创建像大脑一样处理信息的“神经形态”系统。目前的挑战在于如何将这种智能的、基于事件的逻辑与光通信的速度和覆盖范围相结合，而光通信正是我们全球互联网基础设施的支柱。
斯特拉斯克莱德大学的研究人员及其在葡萄牙和英国的同事们，现在展示了一种实现这一目标的全新方法。他们构建了一个传感系统，该系统使用标准的纤维光学电缆（即那些跨越海洋传输互联网流量的电缆）来检测环境变化。该系统并没有将连续的视频数据流传回中央计算机，而是等待特定事件的发生。当变化发生时——例如温度变化、振动或声音——它会触发一个微小的、超快速的电脉冲。这个脉冲作为一个信号，表明发生了某个事件，并在无需传输大量原始数据文件的情况下，携带有关事件强度的信息。这项创新的核心是一个被称为光电探测共振隧穿二极管的特殊组件。可以将这个装置想象成一个高度敏感的光开关，当受到特定量光的触发时，它会进入一种状态，开始发出快速的电脉冲。通过将该装置连接到嵌入光纤电缆中的传感器，研究人员创建了一个能够“倾听”环境并以极快速度做出响应的系统，同时消耗极低的功率。
研究人员通过将一种被称为布拉格光纤光栅（Fiber Bragg Grating）的特殊传感器直接嵌入光纤电缆中，测试了他们的系统。这种传感器旨在当受到干扰时将光反射回探测器。在第一个实验中，他们监测了温度变化。他们稍微加热了传感器，这导致它将更多的光反射回探测器。随着温度升高，探测器并不仅仅是发送一个稳定的信号；它开始发出电脉冲。温度越高，这些脉冲发射得越快。这使得系统能够瞬间区分静止状态和升温环境。随后，研究人员测试了系统检测物理运动的能力。通过轻轻敲击光纤电缆，他们产生了使传感器发生位移的小应变。系统立即做出反应，在敲击持续期间发出一连串脉冲。它甚至可以区分轻敲和重敲，因为敲击的强度改变了脉冲的频率。
除了简单的敲击和温度变化，团队还展示了该系统可以检测声音甚至快速移动的气流。他们将光纤电缆连接到一个播放音频音调的扬声器上。随着扬声器的振动，电缆产生应变，探测器便随着声波的节奏发出脉冲。当他们播放复杂的音频（如火堆的噼啪声或飞机的轰鸣声）时，系统会为每种声音产生独特的脉冲模式，有效地将音频编码为电事件流。最后，他们通过向电缆吹送压缩空气，测试了系统应对快速移动的湍流的能力。系统检测到了这些快速、混乱的运动，其脉冲频率高达每秒 1100 万次。这证明了该技术可以处理每秒变化数千次的事件，其速度远超许多传统传感器能高效处理的速度。
这项工作的意义在于它能够将智能带到网络的边缘。该传感器本身就会处理信息，而不是将数 TB 的原始数据发送到中央服务器进行分析，仅发送必要的事件。这种方法大幅减少了监测所需的能量和数据存储空间。研究人员表明，他们的系统可以在广泛的速度范围内工作，从持续数分钟的缓慢温度变化到毫秒级变化的快速空气湍流。由于该系统使用标准的纤维光学技术，并在全球电信所使用的波长下运行，因此它可以集成到现有基础设施中，而无需进行彻底改造。这项研究证实，创建不仅快速高效，而且能够根据其“看到”和“听到”的内容做出即时决策的远程传感网络是完全可能的。这为更智能地监测关键基础设施（从桥梁、建筑到安全周界）打开了大门，在这些领域，对事件的快速、节能检测可以预防灾难并提高安全性。
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