視網膜啟發的光學感測技術：提高能源效率的新突破

關鍵要點

• 科學家正開發受人眼視網膜啟發的光學感測技術，以降低能源消耗並提升效能。

• 此技術透過感測器內部數據處理，減少不必要的數據傳輸與後端計算，提高設備能源效率。

• 研究隸屬於美國能源部（DOE）的勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab），並與多所頂尖學術機構合作。

光學感測技術的能源挑戰與創新突破

現代光電設備，如智慧型手機相機、天文觀測儀器及顯微影像技術，皆需處理大量光子數據。然而，傳統光學感測技術通常會將所有原始數據傳輸至電腦進行處理，導致能源消耗過高，影響設備效能。

為解決此問題，美國能源部旗下的勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）領導的科學團隊，正在開發受人眼視網膜機制啟發的新型光學感測技術。該技術將部分數據處理直接整合至感測器內，減少無用數據傳輸，從而提升能源效率。該專案亦獲得桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）、加州大學柏克萊分校（UC Berkeley）、**加州大學戴維斯分校（UC Davis）及德州大學阿靈頓分校（University of Texas at Arlington）**的科學家共同參與。

突破傳統感測技術：降低數據傳輸，提高效能

目前的光學感測器主要採用完整數據傳輸模式，即記錄所有光學資訊後，將其全部傳送至電腦處理。然而，這種方式能源消耗過高，且許多應用場景僅需處理其中一小部分數據即可獲得所需結果。伯克利實驗室團隊的創新技術採用類似人眼視網膜的策略，在感測器內部進行預先數據篩選，僅傳輸必要資訊。

“我們的技術模仿視網膜運作方式——視網膜不僅接收光線，還能處理資訊並輸出高效能數據，最終傳遞至大腦，”該專案負責人、伯克利實驗室物理部門的 Maurice Garcia-Sciveres 博士表示。“透過將部分運算前置於感測器，我們能夠降低設備的能源消耗，提升運算效能。”

MEERCAT 計畫：能源高效微電子技術的未來

本研究屬於**微電子能源效率研究中心（MEERCAT）的一部分，該中心為美國能源部（DOE）近期成立的三大微電子科學研究中心（Microelectronics Science Research Centers）**之一。

MEERCAT 的核心研究領域涵蓋：

• 智能感測（Intelligent Sensing）

• 數據傳輸頻寬（Data Bandwidth）

• 多工處理（Multiplexing）

• 先進計算技術（Advanced Computing）

MEERCAT 致力於開發新一代節能微電子技術，實現感測器、邊緣運算、人工智慧（AI）與高效能運算（HPC）的無縫整合。

奈米技術與高效能光學感測器的未來應用

Garcia-Sciveres 博士及其團隊亦正研究如何利用奈米結構技術（如奈米管與奈米線）開發高效能光學感測器。這些「奈米混合感測技術（Nanoscale Hybrid Sensors）」因感測元件尺寸小於光波長，因此擁有極高的靈敏度，適用於精密光學偵測。

“我們的目標是開發可針對特定光學特徵進行優化的感測器，”Garcia-Sciveres 博士表示。“透過減少冗餘數據傳輸與後端處理需求，我們能提升設備整體運算效率，減少功耗。”

這項技術未來可應用於：

• 高效能天文望遠鏡與太空觀測

• 生醫影像診斷與微觀結構分析

• 自動駕駛與機器視覺

參與研究機構與學術專家

除 Garcia-Sciveres 博士外，**伯克利實驗室分子鑄造中心（Molecular Foundry）的 Tevye Kuykendal、Archana Raja、Ricardo Ruiz，以及材料科學部門（Materials Sciences Division）**的 Mi-Young Im、Ali Javey、Feng Wang 等科學家亦參與此專案。此外，來自**工程部門（Engineering Division）的 Aikaterini Papadopoulou，以及應用數學與計算研究部門（Applied Mathematics and Computational Research Division）**的 Andrew Nonaka、Zhi Jackie Yao 也共同投入研究。該專案的光學處理技術則由伯克利實驗室**科學網路部門（Scientific Networking Division）**的聯合科學家、UC Davis 教授 S. J. Ben Yoo 領導。

結論與未來展望

此研究由**美國能源部科學辦公室（DOE Office of Science）**資助，旨在透過革命性的微電子技術提升光學感測器的能源效率。未來，該技術有望推動科學研究、工業應用與智慧設備的發展，實現更節能且高效的光學數據處理模式。

關於勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）

伯克利實驗室自 1931 年成立以來，致力於開創性研究，涵蓋材料科學、化學、物理、生物、環境科學與計算科學等領域。該實驗室由**加州大學（University of California）**管理，並獲得 16 項諾貝爾獎殊榮。

部分資訊參考至：energy.gov/science