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微電子所羅慶/半導(dǎo)體所王麗麗 Adv. Mater.：基于鐵電隧道結(jié)與生物傳感器集成的人工神經(jīng)系統(tǒng)
2024-08-25  來源：高分子科技

  生物神經(jīng)系統(tǒng)在處理創(chuàng)新和復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)問題方面表現(xiàn)出色，超越了傳統(tǒng)的人造設(shè)備。人工神經(jīng)系統(tǒng)在硬件層面的仿生設(shè)計可以從根本上改變信息感知，信息處理和信息傳遞的方式，在模擬復(fù)雜神經(jīng)信號傳導(dǎo)方面表現(xiàn)出巨大的潛力。仿生設(shè)計的挑戰(zhàn)在于實(shí)現(xiàn)模仿或超越真實(shí)神經(jīng)元的完全信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，同時盡可能簡化復(fù)雜的硬件集成。然而，更仿生的基于生化信號傳導(dǎo)的人工神經(jīng)系統(tǒng)設(shè)計依舊落后于基于物理信號傳導(dǎo)的人工神經(jīng)系統(tǒng)，并且依賴外部電源驅(qū)動，這限制了系統(tǒng)的小型化，集成化以及實(shí)際應(yīng)用場景。同時，目前常規(guī)的生物突觸器件在功耗和穩(wěn)定性方面存在劣勢，這也限制了人工神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)展。


  鑒于此，中國科學(xué)院微電子研究所羅慶研究員和中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所王麗麗研究員團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā)了一款集成生物源感器件與鐵電隧道結(jié)的零電壓寫入人工神經(jīng)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)基于離子生物源的神經(jīng)形態(tài)生物信號轉(zhuǎn)導(dǎo)（圖1）。在該系統(tǒng)中，離子生物源既是感知源又是能量源。生物源感器件由雙層非對稱的氧化石墨烯基薄膜組成，可以實(shí)現(xiàn)離子信號的感知和能量的輸出，其輸出性能在目前報道的相關(guān)零電壓寫入器件中處于較高水平，超過了大多數(shù)基于氧化石墨烯的器件。此外，生物突觸器件為基于鋯摻雜氧化鉿的鐵電隧道結(jié)，該器件在系統(tǒng)中表現(xiàn)出連續(xù)電導(dǎo)可調(diào)以及優(yōu)異的穩(wěn)定性，其隧道電阻隨外界電壓變化的行為與突觸可塑性非常相似，可以準(zhǔn)確的進(jìn)行神經(jīng)形態(tài)的信號調(diào)制。


圖1：零電壓寫入人工神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能測試


  在實(shí)際應(yīng)用展示環(huán)節(jié)，將零電壓寫入人工神經(jīng)系統(tǒng)與柔性神經(jīng)刺激電極集成，用于兔子腿部肌肉控制（圖2）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溶液離子濃度的增加，兔子腿部擺動角度和肌電信號逐漸增大。該結(jié)果證明了零電壓寫入人工神經(jīng)系統(tǒng)通過感知離子濃度實(shí)現(xiàn)了腿部肌肉的精確控制，成功模擬了生物神經(jīng)系統(tǒng)的部分功能進(jìn)行運(yùn)動控制。最后，將系統(tǒng)進(jìn)行了細(xì)胞毒性和體內(nèi)生物相容性實(shí)驗(yàn)，證明了零電壓寫入人工神經(jīng)系統(tǒng)的體內(nèi)應(yīng)用的潛力。該項(xiàng)工作擴(kuò)展了人工神經(jīng)系統(tǒng)在信號源和調(diào)制單元方面的可行結(jié)構(gòu)，推動了機(jī)器人和假肢中集成仿生電子系統(tǒng)的發(fā)展。


圖2：使用動物肌肉控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證


  上述研究成果以“A Zero-Voltage-Writing Artificial Nervous System Based on Biosensor Integrated on Ferroelectric Tunnel Junction”為題發(fā)表在《先進(jìn)材料》期刊（Advanced Materials）。半導(dǎo)體研究所博士生秦曉坤，博士生鐘博文以及微電子研究所博士生呂舒賢為論文的共同第一作者，微電子研究所羅慶研究員和半導(dǎo)體研究所王麗麗研究員為論文的通訊作者。該工作得到了國家自然科學(xué)基金和中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會的經(jīng)費(fèi)支持。


  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202404026

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（責(zé)任編輯：xu）
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