Nano Energy｜一种基于人工突触的仿生柔性传入神经系统

研究摘要

成果简介

我最爱你的一刹那给你打电话你没接，等你看到来电提醒再打回来的时候很可能我就不爱你了。——暖小团

图文导读

图1. 生物传入神经系统和人工传入神经系统示意图。

图2. 两种MXene人工突触以及ANS器件的基本电学特性。(a) MXene人工突触的结构示意图。(b)-(d) MXene纳米片的HRTEM图像。MXene@ITO的(e) I-V特性，(f) 开启电压以及电流统计，(g) 高低电阻统计分布，(h) 温度依赖性测试。MXene@PET人工突触的(i) I-V特性，(j) 开启电压以及电流统计，(k) 弯曲耐久性测试，(l) 弯曲后的保持特性。(m) 人工突触悬空后，ICE层的电流稳定性测试。(n) 人工突触以0.5 V偏置后，ICE层的电流稳定性测试。(o) 人工突触悬空后，ICE以及MXene层的离子迁移示意图。(p) 人工突触以0.5 V偏置后，ICE以及MXene层的离子迁移示意图。

图3. ANS器件的触觉响应测试以及相应的可塑性突触电流变化率的统计。(a)，(b) 点击测试。(c)，(d) 滑动测试。(e)，(f) 触觉测试。(g)，(h) 抓握测试。(i)，(j) 夹取测试。(k)，(l) 弯曲测试。(m)，(n) 阵列的抓握测试。(o)，(p) 桡动脉脉搏测试。

图4. ANS器件的物理机制探究。(a)-(e) ICE层表面和侧面的光学以及SEM图像。(f)-(i) 多孔结构的ICE层在不同方向外力作用下的横截面受力分析模拟。(j)-(m) ICE层的单一孔洞在不同方向外力作用下的横截面受力分析模拟。(n)，(o) 有无压力时ICE层内部EMIM⁺和BF₄^-的离子迁移的示意图。(p) ICE层的等效电路图。(q)-(t) 不同温度下，ANS器件的电流响应曲线。(u) 不同温度下，ANS器件的可塑性突触电流变化率。

图5. (a) 一种基于“试错学习法”的操作性条件反射示意图。(b)，(c) ANS器件在压力和温度联合刺激下的后突触电流响应测试，实现了从短期记忆到长期记忆的过程。

总结

本工作提出的一种低功耗、小型化的柔性ANS器件，并在人工突触和真实的外部刺激之间建立了联系。该器件成功模拟了真实外部刺激触发的神经响应行为，且模拟操作性条件反射的出色表现使其成为触觉神经形态芯片和人工智能机器人中的有力候选者，为神经形态芯片在触觉和感觉学习中提供了更多的可能。

文献链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128552200564X

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闫小兵：河北大学电子信息工程学院教授，博士生导师。近年来致力于类脑芯片关键元器件忆阻器与系统的研发，先后获得国家重大人才工程青年学者、教育部霍英东青年教师奖、宝钢优秀教师奖、河北省青年科技奖、河北省青年五四奖章、河北省青年拔尖人才、河北省三三三人才二层次称号、河北省杰出青年等。在顶级国际权威期刊 Nature Nanotechnology、Advanced Materials、Nature Communications等发表论文100余篇，2019年被评为全球前2%顶尖科学家。

贾芸芳：南开大学电子信息与光学工程学院微电子工程系教授，博士生导师，研究方向：生物医学电子工程。2004年在南开大学获得博士学位，2005-2007于南开大学生命科学院从事博士后研究，2009-2010德国菲利普斯马尔堡大学国家留学基金委访问学者。在Advanced Functional Materials、Nano Energy等国际权威期刊发表论文多篇，先后获得天津市科技进步一等奖，天津市科技进步三等奖，天津市生物医学工程学会理事。

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