蘇州納米所張其沖等PNAS：低功耗離子人工突觸纖維取得新進(jìn)展
近千億個(gè)神經(jīng)元通過(guò)上百萬(wàn)億個(gè)神經(jīng)突觸連接成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人腦強(qiáng)大的低功耗計(jì)算能力的基礎(chǔ)。突觸位于前神經(jīng)元軸突和后神經(jīng)元樹(shù)突/胞體之間，對(duì)于神經(jīng)元之間的信息存儲(chǔ)和傳遞至關(guān)重要。仿生神經(jīng)形態(tài)設(shè)備如憶阻器、晶體管和人工突觸器件可以模擬類(lèi)似生物的突觸可塑性，以實(shí)現(xiàn)低功耗信息處理?？椢餆o(wú)處不在而且與人體不規(guī)則表面兼容，為集成這些架構(gòu)提供了一個(gè)天然平臺(tái)，有望賦予傳統(tǒng)織物信息感知、處理和運(yùn)動(dòng)反饋控制等功能。
基于纖維的神經(jīng)形態(tài)器件已經(jīng)有所報(bào)道，比如纖維憶阻器，纖維晶體管和光電人工突觸纖維等，但它們主要基于模擬控制電子或空穴載流子的電脈沖模式。相比之下，擁有超過(guò)1015個(gè)突觸的生物系統(tǒng)依賴(lài)于水基環(huán)境中的多離子和分子載體來(lái)處理傳遞信息。因此，利用水環(huán)境中的離子載體來(lái)模擬神經(jīng)形態(tài)功能的突觸裝置如離子二極管和納流體憶阻器為設(shè)計(jì)神經(jīng)形態(tài)裝置提供了新的機(jī)會(huì)。
然而，由于高脈沖功耗、有限的信號(hào)感知/處理和復(fù)雜運(yùn)動(dòng)反饋控制回路的限制，纖維織物基神經(jīng)形態(tài)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)仍然面臨挑戰(zhàn)。除此之外，目前流體人工突觸設(shè)備或平面結(jié)構(gòu)容易引起泄露的安全問(wèn)題或不舒適，限制了它們?cè)诳纱┐?/span>/紡織電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異柔韌性、多向感應(yīng)和編織集成能力的基于離子載體的準(zhǔn)固態(tài)人工突觸纖維是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
圖1. 離電突觸纖維?(ISF)及纖維基感知運(yùn)動(dòng)應(yīng)用示意圖
針對(duì)上述難題，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所張其沖項(xiàng)目研究員聯(lián)合山東大學(xué)李陽(yáng)教授和新加坡南洋理工大學(xué)魏磊副教授研究團(tuán)隊(duì)，報(bào)道了一種基于離子載流子的ISF，該器件由光響應(yīng)TiO2材料、離子存儲(chǔ)Co-MoS2材料和凝膠電解質(zhì)離子傳輸層組成。簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以模擬出類(lèi)生物的短時(shí)程突觸可塑性，化學(xué)/光學(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)能力以及飛焦耳范圍的能量消耗（單次脈沖刺激）。
圖2. ISF模擬突觸特征及短時(shí)程可塑性
ISF還可實(shí)現(xiàn)維度編織以允許不同的光信號(hào)平行傳遞，模擬了類(lèi)似軸突的并行信息傳輸。此外，離子操作機(jī)制允許引入多個(gè)輸入電極進(jìn)而實(shí)現(xiàn)類(lèi)似樹(shù)突操作形式的時(shí)空信息集成。
圖3.?ISF模擬化學(xué)/光電信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和平行傳輸
進(jìn)一步構(gòu)建了一種基于紡織品的多路神經(jīng)形態(tài)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，將ISF與人造纖維肌肉連接起來(lái)，可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似生物感知運(yùn)動(dòng)進(jìn)程的前神經(jīng)元感知信息的整合、并行傳遞和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元信息的輸出，以控制纖維肌肉的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。全纖維系統(tǒng)在可穿戴電子產(chǎn)品、軟機(jī)器人和生物醫(yī)學(xué)工程方面具有巨大的應(yīng)用前景。
圖4.?樹(shù)突集成和纖維基感知/傳輸/運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)用展示
該工作以Bioinspired iontronic synapse fibers for ultralow- power multiplexing neuromorphic sensorimotor textiles為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊PNAS上。中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所聯(lián)合培養(yǎng)陳龍博士和任明博士為論文共同第一作者，山東大學(xué)李陽(yáng)教授、新加坡南洋理工大學(xué)魏磊副教授和中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所張其沖項(xiàng)目研究員為共同通訊作者，中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所為第一通訊單位。該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)科學(xué)院“率先行動(dòng)”引才計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。
附件下載：
