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  人工智能技術(shù)的發(fā)展為人機(jī)交互、仿生感知系統(tǒng)及智能機(jī)器人等領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)了革命性變化，同時(shí)對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理和人機(jī)交互界面提出了新的要求。不同于目前基于軟件系統(tǒng)和馮·諾依曼構(gòu)架計(jì)算體系實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，人腦運(yùn)算方式具有高效率和低功耗的特點(diǎn)，因此，通過(guò)人工突觸器件的制備，在硬件層面上模擬人腦的神經(jīng)擬態(tài)器件，對(duì)構(gòu)建新的計(jì)算系統(tǒng)具有重要意義。此外，由于人工突觸器件能夠?qū)鞲衅餍盘?hào)轉(zhuǎn)變成類神經(jīng)信號(hào)，有望實(shí)現(xiàn)與生物神經(jīng)信號(hào)的兼容，構(gòu)建智能、高效的人機(jī)交互界面。因此，人工突觸器件在仿生感知領(lǐng)域也受到了廣泛關(guān)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(guān)材料、制備工藝和器件結(jié)構(gòu)也不斷得到優(yōu)化，但是，目前大多數(shù)研究均聚焦于器件對(duì)生物突觸功能的模擬，對(duì)于仿生感知系統(tǒng)所必要的信息感知-信號(hào)傳遞-信息處理系統(tǒng)的構(gòu)建尚處于初步階段，其次，基于硬質(zhì)襯底上制備的人工突觸器件也無(wú)法滿足與生物體等柔性系統(tǒng)兼容的需求。

  針對(duì)上述問(wèn)題和需求，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所張珽研究員團(tuán)隊(duì)分別從信息感知-信號(hào)傳遞-信息處理角度出發(fā)，對(duì)面向智能仿生感知系統(tǒng)的柔性人工突觸器件進(jìn)行了深入探索并取得了系列研究成果。

  視覺(jué)作為生物獲取外界信息的重要感知系統(tǒng)，對(duì)生物活動(dòng)具有重要意義，傳統(tǒng)的人工突觸器件通常需要通過(guò)連接傳感器來(lái)模擬神經(jīng)感知系統(tǒng)的生物學(xué)功能，造成了硬件冗余、功耗和延遲，因此，受到蜜蜂視覺(jué)系統(tǒng)的啟發(fā)，本研究使用氧化鋅納米線和海藻酸鈉設(shè)計(jì)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(jué)感知和信息處理的功能，器件同時(shí)對(duì)電信號(hào)和光信號(hào)刺激響應(yīng)的特點(diǎn)，可以在電信號(hào)和光信號(hào)的共同作用下，實(shí)現(xiàn)短時(shí)突觸可塑性與長(zhǎng)時(shí)突觸可塑性的轉(zhuǎn)換。此外，通過(guò)對(duì)此突觸晶體管器件的陣列化制備，實(shí)現(xiàn)了在不同電壓下光信號(hào)記憶水平的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物視覺(jué)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。

  在神經(jīng)信號(hào)傳遞過(guò)程的模擬方面，研究人員通過(guò)器件材料的選擇和優(yōu)化，結(jié)合生物痛覺(jué)感知機(jī)制，以摻雜高氯酸鋰的聚氧化乙烯(PEO: LiClO₄)和半導(dǎo)體型單壁碳納米管(s-SWCNTs)為溝道材料，制備了雙層結(jié)構(gòu)的憶阻器人工突觸器件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)生物痛覺(jué)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(hào)刺激時(shí)，輕度刺激（<1.4 V）會(huì)使突觸后信號(hào)增強(qiáng)，較強(qiáng)刺激（>1.4 V）會(huì)抑制突觸后信號(hào)。這些行為類似于疼痛的感知、傳遞以及神經(jīng)系統(tǒng)的保護(hù)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(tuán)、缺陷之間的相互作用。具體地，輕度刺激時(shí)，突觸后信號(hào)的增強(qiáng)是由于載流子的遷移和對(duì)缺陷的填充來(lái)實(shí)現(xiàn)的；刺激較重時(shí)，較大的電壓會(huì)導(dǎo)致Li⁺ 嵌入到s-SWCNTs中，使載流子的運(yùn)動(dòng)受到限制，載流子濃度降低，從而導(dǎo)致突觸后信號(hào)的減弱。

圖2. PEO: LiClO₄/s-SWCNTs構(gòu)成的模擬生物痛覺(jué)傳遞和感知功能的柔性人工突觸器件及其痛覺(jué)感知功能的實(shí)現(xiàn)。

  信號(hào)處理作為仿生感知系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)系統(tǒng)性能的有著重要作用，因此，研究人員通過(guò)對(duì)生物神經(jīng)系統(tǒng)中的G蛋白受體信號(hào)傳輸過(guò)程的模擬和上述雙層結(jié)構(gòu)憶阻器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，制備了由還原氧化石墨烯(rGO)和殼聚糖(CS)構(gòu)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(zhì)子和rGO中的官能團(tuán)分別對(duì)應(yīng)生物體中配體和受體的作用機(jī)制，載流子在官能團(tuán)的躍遷作用產(chǎn)生了溝道電流，但由于受到 rGO 中缺陷的限制作用，器件呈現(xiàn)出空間電荷限制電流(SCLC)的導(dǎo)電機(jī)制。通過(guò)不同強(qiáng)弱程度的電信號(hào)刺激，可以對(duì)器件溝道特性進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物突觸短期可塑性和長(zhǎng)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(tǒng)的構(gòu)建提供研究基礎(chǔ)。

圖3. rGO/CS構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)憶阻器柔性仿生人工突觸及其基本突觸性質(zhì)。

  基于上述研究成果，研究團(tuán)隊(duì)在《材料導(dǎo)報(bào)》發(fā)表了受邀綜述，題為“柔性人工突觸：面向智能人機(jī)交互界面和高效率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的基礎(chǔ)器件和材料” (材料導(dǎo)報(bào), 2020, 34(1): 1022-1049.)。對(duì)人工突觸器件發(fā)展現(xiàn)狀、潛在應(yīng)用和瓶頸問(wèn)題進(jìn)行了闡述，并結(jié)合團(tuán)隊(duì)研究成果，提出了柔性、低功耗人工突觸器件在仿生感知領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。

  以上相關(guān)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金，江蘇省杰出青年基金、中科院腦科學(xué)與智能技術(shù)卓越中心等支持。

  原文鏈接：

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.201900888

  https://www.nature.com/articles/s41528-020-0066-0

  https://doi.org/10.1038/s41378-020-00189-z

  http://www.mater-rep.com/CN/10.11896/cldb.19100063