基于人工突觸器件的智能仿生感知系統(tǒng)面臨的問題與挑戰(zhàn)

人工智能技術(shù)的發(fā)展為智能仿生感知系統(tǒng)的發(fā)展帶來了革命性變化，也對(duì)器件和系統(tǒng)的高效信息處理能力以及舒適性、兼容性等提出要求。基于柔性神經(jīng)擬態(tài)器件的柔性仿生感知系統(tǒng)能夠以較低的功耗處理大量的信息，同時(shí)具有良好的曲面共形特征，在可穿戴設(shè)備、人機(jī)交互、智能機(jī)器人、醫(yī)療監(jiān)測(cè)及運(yùn)動(dòng)康復(fù)等戰(zhàn)略新興領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來，柔性人工突觸器件作為系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，由于其特殊的處理器/存儲(chǔ)器配置結(jié)構(gòu)，以及高效率并行處理大量非標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)的能力，吸引了國(guó)內(nèi)外研究人員的關(guān)注。

中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的張珽研究團(tuán)隊(duì)圍繞柔性智能感知領(lǐng)域，對(duì)面向智能仿生感知系統(tǒng)的柔性感知器件和柔性人工突觸器件方面進(jìn)行了探索，并取得了系列研究成果（Adv. Mater., 2014, 26, 1336；Adv. Mater., 2015, 27, 1370；Small, 2017, 1602790；Adv. Sci., 2018, 5, 1800558；Small, 2018, 14, 1703902；Adv. Mater. Technol., 2020, 5, 1900888；npj Flex. Electron., 2020, 4, 3；Microsyst. Nanoeng., 2020, 6, 84；Research, 2020, 8910692；Adv. Electron. Mater, 2020, 6, 2000306.）。

與典型的機(jī)電感知系統(tǒng)不同，生物的感覺器官能夠?qū)ν饨缧畔⑦M(jìn)行檢測(cè)和處理，并將處理過的信號(hào)傳遞給大腦進(jìn)行最后的信息判斷，其能量消耗僅為幾個(gè)fJ/spike量級(jí)。生物感知系統(tǒng)具有這些優(yōu)勢(shì)，神經(jīng)突觸在其中起著至關(guān)重要的作用，通過調(diào)節(jié)突觸的權(quán)重來實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理以及學(xué)習(xí)遺忘記憶等功能，是生物實(shí)現(xiàn)感知-信息處理的基礎(chǔ)。因此，在柔性器件中實(shí)現(xiàn)突觸行為，研究柔性神經(jīng)形態(tài)電子學(xué)并將其應(yīng)用于新型仿生神經(jīng)形態(tài)感知系統(tǒng)，在硬件層面上模擬生物大腦和感知系統(tǒng)功能，有望實(shí)現(xiàn)與生物神經(jīng)信號(hào)的兼容，構(gòu)建智能、高效的智能感知系統(tǒng)和人機(jī)交互界面。

近日，研究團(tuán)隊(duì)在ACS Nano上撰寫綜述文章，對(duì)近幾年國(guó)內(nèi)外相關(guān)團(tuán)隊(duì)在基于人工突觸器件的仿生感知系統(tǒng)領(lǐng)域的研究工作進(jìn)行總結(jié)分析?？偨Y(jié)和歸納了基于不同材料和結(jié)構(gòu)的仿生人工突觸器件，根據(jù)器件的不同結(jié)構(gòu)、工作機(jī)制將其分類，概述了每一類器件中常用的材料及其工作原理，分析了不同類型器件的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景；論述了基于人工突觸器件的仿生感知系統(tǒng)，整理和探討了觸覺、視覺、嗅覺、味覺、痛覺及感覺運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等；討論了基于人工突觸器件的智能仿生感知系統(tǒng)面臨的問題與挑戰(zhàn)，展望了該領(lǐng)域的未來發(fā)展方向。

基于人工突觸器件的柔性仿生感知系統(tǒng)

相關(guān)研究成果以Flexible Artificial Sensory Systems Based on Neuromorphic Devices為題，發(fā)表在ACS Nano（DOI: 10.1021/acsnano.0c10049）上。蘇州納米所博士研究生孫富欽為論文第一作者，研究員張珽為論文通訊作者，共同作者包括博士陸騏峰和副研究員馮思敏。研究工作得到國(guó)家重點(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)卓越中心等的支持。

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