蘇州納米所：在面向智能仿生感知系統的柔性人工突觸研究得新進展

2020-09-24 材料分析與應用

人工智慧技術的發展為人機互動、仿生感知系統及智慧機器人等領域的發展帶來了革命性變化，同時對複雜數據的處理和人機互動界面提出了新的要求。不同於目前基於軟體系統和馮·諾依曼構架計算體系實現的神經網絡，人腦運算方式具有高效率和低功耗的特點，因此，通過人工突觸器件的製備，在硬體層面上模擬人腦的神經擬態器件，對構建新的計算系統具有重要意義。此外，由於人工突觸器件能夠將傳感器信號轉變成類神經信號，有望實現與生物神經信號的兼容，構建智能、高效的人機互動界面。因此，人工突觸器件在仿生感知領域也受到了廣泛關注。隨著研究的深入，雖然器件的工作原理得到了一定解釋，相關材料、製備工藝和器件結構也不斷得到優化，但是，目前大多數研究均聚焦於器件對生物突觸功能的模擬，對於仿生感知系統所必要的信息感知-信號傳遞-信息處理系統的構建尚處於初步階段，其次，基於硬質襯底上製備的人工突觸器件也無法滿足與生物體等柔性系統兼容的需求。

針對上述問題和需求，中國科學院蘇州納米所的張珽研究團隊分別從信息感知-信號傳遞-信息處理角度出發，對面向智能仿生感知系統的柔性人工突觸器件進行了深入探索並取得了系列研究成果。

視覺作為生物獲取外界信息的重要感知系統，對生物活動具有重要意義，傳統的人工突觸器件通常需要通過連接傳感器來模擬神經感知系統的生物學功能，造成了硬體冗餘、功耗和延遲，因此，受到蜜蜂視覺系統的啟發，本研究使用氧化鋅納米線和海藻酸鈉設計製備一種具有光感知功能的柔性仿生突觸電晶體，集成了視覺感知和信息處理的功能，器件同時對電信號和光信號刺激響應的特點，可以在電信號和光信號的共同作用下，實現短時突觸可塑性與長時突觸可塑性的轉換。此外，通過對此突觸電晶體器件的陣列化製備，實現了在不同電壓下光信號記憶水平的調節，實現了對生物視覺感知功能的初步模擬 (Bioinspired flexible, dual‐modulation synaptic transistors toward artificial visual memory systems. Adv. Mater. Technol. 2020, 5, 1900888)。

　圖1. 基於氧化鋅納米線和海藻酸鈉製備的具有光感知功能的柔性仿生突觸電晶體。


　　在神經信號傳遞過程的模擬方面，研究人員通過器件材料的選擇和優化，結合生物痛覺感知機制，以摻雜高氯酸鋰的聚氧化乙烯(PEO: LiClO4)和半導體型單壁碳納米管(s-SWCNTs)為溝道材料，製備了雙層結構的憶阻器人工突觸器件，實現了對生物痛覺傳遞和感知功能的模擬 (Bio-inspired flexible artificial synapses for pain perception and nerve injuries. npj Flex. Electron. 4, 3 (2020)）。器件受到脈衝電信號刺激時，輕度刺激（<1.4 V）會使突觸後信號增強，較強刺激（>1.4 V）會抑制突觸後信號。這些行為類似於疼痛的感知、傳遞以及神經系統的保護功能。器件工作的主要原理是PEO: LiClO4的載流子與s-SWCNTs中的官能團、缺陷之間的相互作用。具體地，輕度刺激時，突觸後信號的增強是由於載流子的遷移和對缺陷的填充來實現的；刺激較重時，較大的電壓會導致Li+ 嵌入到s-SWCNTs中，使載流子的運動受到限制，載流子濃度降低，從而導致突觸後信號的減弱。


　　圖2. PEO: LiClO4/s-SWCNTs構成的模擬生物痛覺傳遞和感知功能的柔性人工突觸器件及其痛覺感知功能的實現。


信號處理作為仿生感知系統的重要組成部分，對系統性能的有著重要作用，因此，研究人員通過對生物神經系統中的G蛋白受體信號傳輸過程的模擬和上述雙層結構憶阻器的優化設計，製備了由還原氧化石墨烯(rGO)和殼聚糖(CS)構成的憶阻器柔性仿生人工突觸 (Biological receptor inspired flexible artificial synapse based on ionic dynamics. Microsyst. Nanoeng. 10.1038/s41378-020-00189-z)。CS中的質子和rGO中的官能團分別對應生物體中配體和受體的作用機制，載流子在官能團的躍遷作用產生了溝道電流，但由於受到 rGO 中缺陷的限制作用，器件呈現出空間電荷限制電流(SCLC)的導電機制。通過不同強弱程度的電信號刺激，可以對器件溝道特性進行調控，實現對生物突觸短期可塑性和長期可塑性的模擬以及類似人腦的記憶和遺忘功能，此研究工作有望為類腦信息處理系統的構建提供研究基礎。


　　圖3. rGO/CS構成的雙層結構憶阻器柔性仿生人工突觸及其基本突觸性質。

　　

基於上述研究成果，研究團隊在《材料導報》發表了受邀綜述，題為「柔性人工突觸：面向智能人機互動界面和高效率神經網絡計算的基礎器件和材料」 (材料導報, 2020, 34(1): 1022-1049.)。對人工突觸器件發展現狀、潛在應用和瓶頸問題進行了闡述，並結合團隊研究成果，提出了柔性、低功耗人工突觸器件在仿生感知領域的潛在應用。

以上相關成果主要作者是中科院蘇州納米所陸騏峰博士和博士研究生孫富欽，通訊作者為張珽研究員。上述工作得到了科技部重點研發計劃、國家自然科學基金，江蘇省傑出青年基金、中科院腦科學與智能技術卓越中心等支持。

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