蘇州納米所李清文、張其沖等合作Matter：纖維狀光電人工突觸用于可穿戴視覺(jué)記憶系統(tǒng)
伴隨傳統(tǒng)紡織業(yè)與電子、制造、傳感和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融合，無(wú)處不在的織物被給予了更高的期望以及更多的功能，也逐漸演變?yōu)槿斯ぶ悄芗夹g(shù)的新載體。電子織物作為可穿戴電子的重要分支在能量收集/儲(chǔ)存、感知、顯示/交互和信息存儲(chǔ)/處理等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。作為電子織物的基本單位，一維的功能纖維具有輕巧、超柔和多功能的特性。同時(shí)可以進(jìn)一步通過(guò)成熟的編織技術(shù)制成透氣紡織品，對(duì)未來(lái)智能織物的發(fā)展具有重要意義。在人類與外界環(huán)境的交互中，80%以上的外部信息都是通過(guò)我們的眼睛接收的，因此仿生人工視覺(jué)系統(tǒng)在人機(jī)交互、圖像識(shí)別、自動(dòng)駕駛和低功耗光神經(jīng)形態(tài)等應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力。近年來(lái)，基于光電人工突觸的仿生視覺(jué)系統(tǒng)取得了快速發(fā)展，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電信號(hào)/光信息的感知并且能夠?qū)Ω兄降男畔⑦M(jìn)行臨時(shí)記憶甚至是初步的運(yùn)算。目前，構(gòu)建具有良好的柔性且兼具透氣性的可穿戴人工視覺(jué)系統(tǒng)仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。
中科院蘇州納米所輕量化實(shí)驗(yàn)室李清文研究員與張其沖項(xiàng)目研究員等因此提出并驗(yàn)證了纖維狀光電人工突觸器件的概念，該器件可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光/電信號(hào)誘導(dǎo)的多種仿生突觸功能包括脈沖易化、長(zhǎng)/短時(shí)程可塑性以及“學(xué)習(xí)-鞏固-再學(xué)習(xí)”等行為。在光電突觸性能的基礎(chǔ)上，成功地將多個(gè)纖維狀器件編入透氣的織物，從而使得柔性織物能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)簡(jiǎn)單數(shù)字圖像信息進(jìn)行感知和存儲(chǔ)的功能。
圖1. 纖維狀光電人工突觸概念示意圖
在碳納米管纖維上分別構(gòu)筑含有氧空位的TiO2-X納米線和MoS2納米片陣列，得到的柔性纖維電極通過(guò)纏繞工藝制備了纖維狀光電人工突觸器件。通過(guò)對(duì)器件施加電刺激，器件展現(xiàn)出類似生物突觸的行為如：興奮、抑制行為，脈沖易化，短/長(zhǎng)時(shí)程可塑性等。
圖2. 纖維狀光電人工突觸器件的電刺激行為
就人類的學(xué)習(xí)和記憶而言，瞬時(shí)獲取并暫時(shí)存儲(chǔ)的視覺(jué)信息最初會(huì)逐漸消失，除非在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)獲取相同的信息，這些記憶通過(guò)重復(fù)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)移到長(zhǎng)期記憶 (LTM)。因此，研究人員在纖維狀光電人工突觸器件上研究了光感知和突觸特性，通過(guò)應(yīng)用兩個(gè)連續(xù)的光脈沖，間隔時(shí)間為10秒，觀察到了光誘導(dǎo)的PPF特性。學(xué)習(xí)、遺忘和排練行為也通過(guò)不斷地開(kāi)/關(guān)燈來(lái)模仿。將一系列突觸前脈沖應(yīng)用于纖維狀光電人工突觸會(huì)導(dǎo)致突觸后電流增加，從而促進(jìn)突觸連接強(qiáng)度（“學(xué)習(xí)”）。隨著光刺激的去除，突觸后電流逐漸降低（“遺忘”），表明存在STM過(guò)程。在“遺忘”過(guò)程后應(yīng)用相同的突觸前刺激，突觸后電流迅速達(dá)到并超越之前的記憶水平（“再學(xué)習(xí)”），表明學(xué)習(xí)和記憶能力增強(qiáng)。
圖3. 纖維狀光電人工突觸的光刺激行為
纖維狀光電人工突觸展現(xiàn)出良好的柔性以及多方向的光吸收特性。為了展示基于纖維狀光電人工突觸的紡織品的視覺(jué)感知和記憶功能，研究人員將多個(gè)器件可編織入透氣的織物，構(gòu)建了利用光掩模的光電流成像紡織品，該織物能夠?qū)?jiǎn)單數(shù)字光學(xué)圖像信息感知和記憶，證明了其在開(kāi)發(fā)可穿戴視覺(jué)記憶系統(tǒng)方面的潛力。
圖4. 纖維狀光電人工突觸器件柔性展示及其在可穿戴織物中的潛在應(yīng)用
該研究工作為設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)感知記憶功能一體化的柔性功能纖維開(kāi)辟了新途徑。相關(guān)工作以Fiber-Shaped Artificial Optoelectronic Synapses for Wearable Visual-Memory Systems為題發(fā)表于Matter上，本文的第一作者是中科院蘇州納米所和華東理工大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士生陳龍等，通訊作者是華東理工大學(xué)的袁雙龍副教授，山東大學(xué)的李陽(yáng)教授，中科院蘇州納米所的張其沖項(xiàng)目研究員和李清文研究員。該論文工作獲得了中科院“率先行動(dòng)”引才計(jì)劃和江蘇省青年基金項(xiàng)目的資助。
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