對面向智能仿生感知系統(tǒng)的柔性人工突觸器件進行了深入探索

人工智能技術(shù)的發(fā)展為人機交互、仿生感知系統(tǒng)及智能機器人等領(lǐng)域的發(fā)展帶來了革命性變化，同時對復(fù)雜數(shù)據(jù)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(tǒng)和馮·諾依曼構(gòu)架計算體系實現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，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(jīng)擬態(tài)器件，對構(gòu)建新的計算系統(tǒng)具有重要意義。此外，由于人工突觸器件能夠?qū)?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/117/" target="_blank">傳感器信號轉(zhuǎn)變成類神經(jīng)信號，有望實現(xiàn)與生物神經(jīng)信號的兼容，構(gòu)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(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生物突觸功能的模擬，對于仿生感知系統(tǒng)所必要的信息感知-信號傳遞-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法滿足與生物體等柔性系統(tǒng)兼容的需求。

針對上述問題和需求，中國科學(xué)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(fā)，對面向智能仿生感知系統(tǒng)的柔性人工突觸器件進行了深入探索并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(tǒng)，對生物活動具有重要意義，傳統(tǒng)的人工突觸器件通常需要通過連接傳感器來模擬神經(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(yīng)的特點，可以在電信號和光信號的共同作用下，實現(xiàn)短時突觸可塑性與長時突觸可塑性的轉(zhuǎn)換。此外，通過對此突觸晶體管器件的陣列化制備，實現(xiàn)了在不同電壓下光信號記憶水平的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)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)信號傳遞過程的模擬方面，研究人員通過器件材料的選擇和優(yōu)化，結(jié)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(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，實現(xiàn)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）會使突觸后信號增強，較強刺激（>1.4 V）會抑制突觸后信號。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，突觸后信號的增強是由于載流子的遷移和對缺陷的填充來實現(xiàn)的；刺激較重時，較大的電壓會導(dǎo)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(dǎo)致突觸后信號的減弱。

圖2 PEO: LiClO4/s-SWCNTs構(gòu)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(xiàn)

信號處理作為仿生感知系統(tǒng)的重要組成部分，對系統(tǒng)性能的有著重要作用，因此，研究人員通過對生物神經(jīng)系統(tǒng)中的G蛋白受體信號傳輸過程的模擬和上述雙層結(jié)構(gòu)憶阻器的優(yōu)化設(shè)計，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中的官能團分別對應(yīng)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(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(diào)控，實現(xiàn)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(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，研究團隊在《材料導(dǎo)報》發(fā)表了受邀綜述，題為“柔性人工突觸：面向智能人機交互界面和高效率神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算的基礎(chǔ)器件和材料” (材料導(dǎo)報, 2020, 34(1): 1022-1049.)。對人工突觸器件發(fā)展現(xiàn)狀、潛在應(yīng)用和瓶頸問題進行了闡述，并結(jié)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(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研發(fā)計劃、國家自然科學(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。