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科研(yan)进展

苏州纳米所张珽研究团队在面向智能仿生感知系统的柔性人工突触研究取得新进展

发(fa)布日期:2019-09-16 浏览(lan)次数: 【关闭】

  人工智(zhi)能(neng)技术的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)发展(zhan)为人机交(jiao)互、仿(fang)生感知系(xi)统(tong)(tong)及智(zhi)能(neng)机器(qi)(qi)(qi)人等(deng)领域的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)发展(zhan)带(dai)来了(le)革命性变化,同(tong)时对复杂数据(ju)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)处(chu)理(li)和人机交(jiao)互界面(mian)(mian)提(ti)出了(le)新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)要(yao)求。不同(tong)于(yu)目(mu)前基于(yu)软件(jian)系(xi)统(tong)(tong)和冯(feng)·诺依曼构(gou)架计算(suan)体系(xi)实(shi)现的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)神(shen)(shen)(shen)经(jing)(jing)网络,人脑运算(suan)方(fang)式具(ju)有(you)(you)高(gao)效率和低功耗的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)特点,因此,通过(guo)人工突触(chu)器(qi)(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)制备(bei),在(zai)硬件(jian)层面(mian)(mian)上模拟(ni)人脑的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)神(shen)(shen)(shen)经(jing)(jing)拟(ni)态器(qi)(qi)(qi)件(jian),对构(gou)建新的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)计算(suan)系(xi)统(tong)(tong)具(ju)有(you)(you)重要(yao)意义(yi)。此外,由于(yu)人工突触(chu)器(qi)(qi)(qi)件(jian)能(neng)够将传(chuan)感器(qi)(qi)(qi)信(xin)(xin)号(hao)转变成(cheng)类神(shen)(shen)(shen)经(jing)(jing)信(xin)(xin)号(hao),有(you)(you)望实(shi)现与生物(wu)神(shen)(shen)(shen)经(jing)(jing)信(xin)(xin)号(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)兼(jian)容,构(gou)建智(zhi)能(neng)、高(gao)效的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)人机交(jiao)互界面(mian)(mian)。因此,人工突触(chu)器(qi)(qi)(qi)件(jian)在(zai)仿(fang)生感知领域也(ye)(ye)受(shou)到(dao)了(le)广泛关(guan)注。随着研究的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)深入(ru),虽(sui)然器(qi)(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)工作原(yuan)理(li)得(de)到(dao)了(le)一定解(jie)释,相关(guan)材料、制备(bei)工艺和器(qi)(qi)(qi)件(jian)结构(gou)也(ye)(ye)不断得(de)到(dao)优化,但是,目(mu)前大多(duo)数研究均聚焦于(yu)器(qi)(qi)(qi)件(jian)对生物(wu)突触(chu)功能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)模拟(ni),对于(yu)仿(fang)生感知系(xi)统(tong)(tong)所必要(yao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)(xin)息(xi)感知-信(xin)(xin)号(hao)传(chuan)递-信(xin)(xin)息(xi)处(chu)理(li)系(xi)统(tong)(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)构(gou)建尚处(chu)于(yu)初步(bu)阶段,其次,基于(yu)硬质衬底上制备(bei)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)人工突触(chu)器(qi)(qi)(qi)件(jian)也(ye)(ye)无法满足与生物(wu)体等(deng)柔性系(xi)统(tong)(tong)兼(jian)容的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)需求。

  针对上述问题和需求,中国科学院苏州纳米所的张珽研究团队分别从信息感知-信号传递-信息处理角度出发,对面向智能仿生感知系统的柔性人工突触器件进行了深入探索并取得了系列研究成果。

  视(shi)觉(jue)(jue)作为生物(wu)获取外(wai)界信(xin)(xin)(xin)息(xi)的(de)(de)(de)(de)重(zhong)要(yao)(yao)感(gan)(gan)(gan)知(zhi)系(xi)统(tong),对(dui)(dui)生物(wu)活动(dong)具有(you)重(zhong)要(yao)(yao)意义,传统(tong)的(de)(de)(de)(de)人工突触(chu)(chu)器件(jian)通常(chang)需要(yao)(yao)通过连(lian)接传感(gan)(gan)(gan)器来模(mo)拟神经感(gan)(gan)(gan)知(zhi)系(xi)统(tong)的(de)(de)(de)(de)生物(wu)学功(gong)(gong)能(neng)(neng),造成(cheng)了硬件(jian)冗(rong)余、功(gong)(gong)耗和(he)(he)延迟,因此,受到蜜蜂视(shi)觉(jue)(jue)系(xi)统(tong)的(de)(de)(de)(de)启(qi)发,本研究使用(yong)(yong)氧化锌(xin)纳米(mi)线(xian)和(he)(he)海藻(zao)酸钠设计(ji)制备一(yi)种(zhong)具有(you)光感(gan)(gan)(gan)知(zhi)功(gong)(gong)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)柔(rou)性仿生突触(chu)(chu)晶(jing)体(ti)管(guan),集(ji)成(cheng)了视(shi)觉(jue)(jue)感(gan)(gan)(gan)知(zhi)和(he)(he)信(xin)(xin)(xin)息(xi)处理的(de)(de)(de)(de)功(gong)(gong)能(neng)(neng),器件(jian)同(tong)时(shi)对(dui)(dui)电(dian)信(xin)(xin)(xin)号(hao)(hao)和(he)(he)光信(xin)(xin)(xin)号(hao)(hao)刺激响应的(de)(de)(de)(de)特点,可以(yi)在电(dian)信(xin)(xin)(xin)号(hao)(hao)和(he)(he)光信(xin)(xin)(xin)号(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)共同(tong)作用(yong)(yong)下(xia),实(shi)现(xian)(xian)短时(shi)突触(chu)(chu)可塑(su)性与长时(shi)突触(chu)(chu)可塑(su)性的(de)(de)(de)(de)转换。此外(wai),通过对(dui)(dui)此突触(chu)(chu)晶(jing)体(ti)管(guan)器件(jian)的(de)(de)(de)(de)阵列化制备,实(shi)现(xian)(xian)了在不同(tong)电(dian)压下(xia)光信(xin)(xin)(xin)号(hao)(hao)记忆水平的(de)(de)(de)(de)调节,实(shi)现(xian)(xian)了对(dui)(dui)生物(wu)视(shi)觉(jue)(jue)感(gan)(gan)(gan)知(zhi)功(gong)(gong)能(neng)(neng)的(de)(de)(de)(de)初(chu)步模(mo)拟 (Bioinspired flexible, dual‐modulation synaptic transistors toward artificial visual memory systems. Adv. Mater. Technol. 2020, 5, 1900888)。

图1. 基(ji)于(yu)氧化锌纳(na)米线和海藻酸钠制备(bei)的(de)(de)具(ju)有光感知功(gong)能的(de)(de)柔性仿生突触晶体(ti)管。

  在神经信(xin)(xin)号(hao)(hao)传递过程的模拟方面,研究人员通过器(qi)件(jian)材料(liao)的选择(ze)和优化(hua),结合生物痛(tong)觉(jue)(jue)感(gan)知(zhi)机制,以掺(chan)杂(za)高氯(lv)酸锂(li)的聚氧化(hua)乙烯(PEO: LiClO4)和半导体型单壁碳纳米(mi)管(s-SWCNTs)为沟道材料(liao),制备了(le)双(shuang)层结构的忆阻器(qi)人工突(tu)触(chu)器(qi)件(jian),实现(xian)了(le)对生物痛(tong)觉(jue)(jue)传递和感(gan)知(zhi)功能(neng)的模拟 (Bio-inspired flexible artificial synapses for pain perception and nerve injuries. npj Flex. Electron. 4, 3 (2020))。器(qi)件(jian)受到(dao)脉冲电信(xin)(xin)号(hao)(hao)刺激(ji)时(shi),轻度刺激(ji)(<1.4 V)会使(shi)突(tu)触(chu)后(hou)信(xin)(xin)号(hao)(hao)增(zeng)(zeng)强,较(jiao)强刺激(ji)(>1.4 V)会抑制突(tu)触(chu)后(hou)信(xin)(xin)号(hao)(hao)。这(zhei)些行(xing)为类似于疼痛(tong)的感(gan)知(zhi)、传递以及神经系统的保护功能(neng)。器(qi)件(jian)工作的主(zhu)要原理是PEO: LiClO4的载(zai)(zai)(zai)流子与s-SWCNTs中(zhong)的官能(neng)团、缺陷之间(jian)的相互(hu)作用。具(ju)体地,轻度刺激(ji)时(shi),突(tu)触(chu)后(hou)信(xin)(xin)号(hao)(hao)的增(zeng)(zeng)强是由(you)于载(zai)(zai)(zai)流子的迁移和对缺陷的填(tian)充(chong)来实现(xian)的;刺激(ji)较(jiao)重(zhong)时(shi),较(jiao)大的电压会导致Li+ 嵌(qian)入到(dao)s-SWCNTs中(zhong),使(shi)载(zai)(zai)(zai)流子的运动受到(dao)限制,载(zai)(zai)(zai)流子浓度降低,从而(er)导致突(tu)触(chu)后(hou)信(xin)(xin)号(hao)(hao)的减弱。


 图2. PEO: LiClO4/s-SWCNTs构(gou)成的(de)模拟生物(wu)痛觉传递和感知功能(neng)的(de)柔(rou)性人工突(tu)触器件及其痛觉感知功能(neng)的(de)实现。

  信号处理作为仿生感知系统的重要组成部分,对系统性能的有着重要作用,因此,研究人员通过对生物神经系统中的G蛋白受体信号传输过程的模拟和上述双层结构忆阻器的优化设计,制备了由还原氧化石墨烯(rGO)和壳聚糖(CS)构成的忆阻器柔性仿生人工突触 (Biological receptor inspired flexible artificial synapse based on ionic dynamics. Microsyst. Nanoeng. 10.1038/s41378-020-00189-z)。 CS中的质子和rGO中的官能团分别对应生物体中配体和受体的作用机制,载流子在官能团的跃迁作用产生了沟道电流,但由于受到 rGO 中缺陷的限制作用,器件呈现出空间电荷限制电流(SCLC)的导电机制。通过不同强弱程度的电信号刺激,可以对器件沟道特性进行调控,实现对生物突触短期可塑性和长期可塑性的模拟以及类似人脑的记忆和遗忘功能,此研究工作有望为类脑信息处理系统的构建提供研究基础。


图3. rGO/CS构成的双(shuang)层结(jie)构忆(yi)阻器柔性仿生人工突触及(ji)其(qi)基本突触性质。
  基于上(shang)述研究成(cheng)果,研究团队在《材(cai)(cai)料导报(bao)》发(fa)表了(le)受邀(yao)综(zong)述,题(ti)为“柔性人(ren)(ren)工突(tu)(tu)触(chu):面向智能(neng)人(ren)(ren)机交互界面和高(gao)效率神经(jing)网(wang)络计算的基础器件和材(cai)(cai)料” (材(cai)(cai)料导报(bao), 2020, 34(1): 1022-1049.)。对人(ren)(ren)工突(tu)(tu)触(chu)器件发(fa)展(zhan)现状、潜在应(ying)用(yong)(yong)和瓶颈问(wen)题(ti)进行了(le)阐述,并结合团队研究成(cheng)果,提出(chu)了(le)柔性、低功(gong)耗(hao)人(ren)(ren)工突(tu)(tu)触(chu)器件在仿(fang)生(sheng)感知领域的潜在应(ying)用(yong)(yong)。
  以(yi)上相(xiang)关成(cheng)果(guo)主要作(zuo)者(zhe)(zhe)是中(zhong)科(ke)院苏(su)州(zhou)纳(na)米所陆骐峰博(bo)士和博(bo)士研究生孙富钦(qin),通讯(xun)作(zuo)者(zhe)(zhe)为张珽研究员。上述工(gong)作(zuo)得到了科(ke)技(ji)部(bu)重(zhong)点研发计划、国家自然科(ke)学基(ji)金(jin),江(jiang)苏(su)省杰(jie)出青年基(ji)金(jin)、中(zhong)科(ke)院脑科(ke)学与(yu)智能技(ji)术(shu)卓(zhuo)越中(zhong)心等支持。



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