蘇州納米所張珽研究團隊在面向智能仿生感知系統的柔性人工突觸研究取得新進展

  人工智能技術的發展爲人機交互、仿生感知系統智能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交互界面提出了新的要求。不同于目前基于軟件系統和馮·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制備,在硬件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,由于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、高效的人機交互界面。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、制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于器件對生物突觸功能的模擬,對于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于初步階段,其次,基于硬質襯底上制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。 

  視覺作爲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,造成了硬件冗余、功耗和延遲,因此,受到蜜蜂視覺系統的啓發,本研究使用氧化鋅納米線和海藻酸鈉設計制備一種具有光感知功能的柔性仿生突觸晶體管,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,通過對此突觸晶體管器件的陣列化制備,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, dualmodulation synaptic transistors toward artificial visual memory systems. Adv. Mater. Technol. 2020, 5, 1900888) 

  1. 基于氧化鋅納米線和海藻酸鈉制備的具有光感知功能的柔性仿生突觸晶體管 

  在神经信號傳遞过程的模拟方面,研究人员通过器件材料的选择和优化,结合生物痛觉感知机制,以掺杂高氯酸锂的聚氧化乙烯(PEO: LiClO4)半導體單壁碳納米管(s-SWCNTs)溝道材料,制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))。器件受到脈沖電信號刺激時,輕度刺激<1.4 V會使突觸後信號增強,較強刺激>1.4 V)会抑制突觸后信号。这些行爲类似于疼痛的感知傳遞以及神經系統保護功能。器件工作的主要原理是PEO: LiClO4載流子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于載流子的迁移和对缺陷的填充来实现的;刺激较重时,较大的电压会导致Li+ 嵌入到s-SWCNTs中,使載流子的运动受到限制,載流子浓度降低,从而导致突觸后信号的减弱。 

  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 

  信号处理作爲仿生感知系统的重要组成部分,对系统性能的有着重要作用,因此,研究人员通过对生物神經系統中的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,制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中的官能團分别对应生物体中配体和受体的作用机制,載流子在官能團的跃迁作用产生了溝道电流,但由于受到 rGO 中缺陷的限制作用,器件呈現出空間電荷限制電流(SCLC)的导电机制。通过不同强弱程度的电信号刺激,可以对器件溝道特性进行调控,实现对生物突觸短期可塑性和长期可塑性的模拟以及类似人脑的记忆和遗忘功能,此研究工作有望爲类脑信息处理系统的构建提供研究基础。 

  3. rGO/CS構成的双层结构憶阻器柔性仿生人工突觸及其基本突觸性质 

  基于上述研究成果,研究團隊在《材料導報》发表了受邀綜述,题爲“柔性人工突觸:面向智能人机交互界面和高效率神经网络计算的基础器件和材料” (材料導報, 2020, 34(1): 1022-1049.)。对人工突觸器件发展现状、潜在应用和瓶颈问题进行了阐述,并结合團隊研究成果,提出了柔性、低功耗人工突觸器件在仿生感知领域的潜在应用。 

  以上相關成果主要作者是中科院蘇州纳米所陆骐峰博士和博士研究生孙富钦,通讯作者爲张珽研究员。上述工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金,江苏省傑出青年基金、中科院腦科學與智能技术卓越中心等支持。 

    


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