人間の眼は薄暗い部屋でも見ることができ、その数瞬後には明るい空を直接見ることができる — 160デシベル以上の光検出範囲を持つ。従来のカメラやマシンビジョンシステムは、その範囲のほんの一部に近づくために複雑な回路、アルゴリズム、電力を必要とする。中国電子科技大学（UESTC）とペンシルベニア州立大学のチームは、二酸化チタンと導電性ポリマーの複合材料のみを使用して、これを本質的に実現するデバイスを構築した。
このデバイスは2端子フォトメムリスタ — メモリを備えた光感応抵抗器 — であり、アナターゼ相TiO₂の薄膜と導電性ポリマーPEDOT:PSSから作られ、透明電極と金属電極の間に挟まれている。わずか0.5 mmの大きさで、単一の物理メカニズムである水を利用して、網膜が極めて異なる光レベルに適応する能力を模倣している。
動作原理
光がTiO₂層に当たると、PEDOT:PSSを通過する光電流が発生する。明るい照明下では、光熱効果によりデバイスが加熱され（320 mW/cm²で約24.2℃から32.7℃）、ポリマー表面に吸着した水分子が脱着する。これにより電荷を運ぶH₃O⁺イオンの濃度が低下し、導電性が減少して光応答が抑制される。暗い光の下では、水が再吸着され、導電性が高まり、光応答が増幅される。
結果は、補助回路やリアルタイムアルゴリズムを必要としない、材料レベルの本質的な適応である。デバイスの光感度スコアは、通常光下での+2,527%から極度の明るさ下での-33.7%に低下する — 人間の網膜を保護する瞳孔収縮とロドプシン退色を効果的に模倣している。
適応時間は人間の眼よりも短い。
実証された性能
研究者らは4×4フォトメムリスタアレイを構築し、スパイクタイミング依存可塑性を持つ人工ニューラルネットワークに接続した。システムは動的に変化する混合光条件下 — 眩輝、薄暗い影、交互の明るさ — で、照明に対するアルゴリズム補償なしに91.3%の精度で画像認識を達成した。
これは従来のマシンビジョンシステムと比較して有利であり、照明変化によって著しく性能が低下し、別途センサーキャリブレーション、HDR処理、計算によるホワイトバランス補正を必要とする — これらはすべて追加の電力とハードウェアを消費する。
生体模倣の利点
人間の網膜は、光色素の退色と再生 — 感度レベルを瞬間ごとに設定する化学的消耗と再生の絶え間ないサイクル — を通じてその驚異的なダイナミックレンジを達成している。TiO₂/PEDOT:PSSフォトメムリスタは、材料レベルで動作する可逆的な物理プロセスである水の吸着と脱着を通じて同じ効果を達成する。
「動的な水の吸着/脱着によって可能になる混合光条件下での完全な視覚適応」というタイトルの論文は、Nature Communicationsに掲載されている（DOI: 10.1038/s41467-026-73217-7）。このデバイスはまた、10 ms間隔で最大3.18の対パルス促通（PPF）指数を示している — シナプス可塑性の特徴である。
次のステップ
UESTCの筆頭著者Jia Zhu氏は、チームは材料処方と製造プロセスの最適化、信号読み出しモジュールと適応制御ユニットを備えた完全パッケージアレイの統合、そして最終的には機能的なバイオニック人工眼球プロトタイプの構築を計画していると述べた。研究者らは、同じ動的制御戦略が他の酸化物-ポリマー複合メムリスタシステムに拡張可能であり、高性能光適応型ニューロモルフィックデバイスの普遍的な設計原則を確立する可能性があると考えている。
潜在的な応用としては、自動運転（暗い条件での歩行者識別とヘッドライトの眩輝耐性）、ヒューマノイドロボット、屋外監視、航空偵察、電力とハードウェア容積が制約されるポータブルビジョンシステムなどが挙げられる。
雅子 訳
出典
1. Physics World, “Machine vision begins to work like the human eye” (8 July 2026). https://physicsworld.com/a/machine-vision-begins-to-work-like-the-human-eye/
2. Zhu, J. et al., “Full vision adaptation in mixed-light conditions enabled by dynamic water adsorption/desorption”, Nature Communications 17, 4965 (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-73217-7