双剑合璧：摩擦纳米发电机&人工突触

研究背景

在生物传入神经系统中，外部刺激信息的感知、传递和处理依赖于受体、突触和神经元的分布式并行网络，在处理非结构化和复杂的现实世界问题时具有明显的优势。生物突触是神经系统的基本单位，而突触的可塑性被认为是认知、学习和记忆各种复杂信息的基础。因此，赋予电子设备以类似突触的行为能力，对人工四肢、机器人和仿生学的智能发展具有重要意义。近年来，基于场效应晶体管开发了许多类型的突触器件，它们可以通过电输出特性来模拟突触行为。然而，这些突触装置通常由外部电压源门控，缺乏与外部环境的主动互动机制。因此，有必要开发具有直接交互行为的突触器件来构建人工神经传入系统。

研究成果

作为人工传入神经系统的关键组成部分，突触装置可以模仿生理上的突触行为，这引起了人们的广泛关注。在此，中科院北京纳米能源与系统研究所张弛研究员团队开发了一种具有生物启发的神经感觉行为的柔性摩擦电子人工突触(TAS)。由外部接触电产生的三电势被用作有机薄膜晶体管的离子凝胶门电压，它可以通过离子的迁移/积累来调整载流子的传输。TAS通过外部刺激成功展示了一系列突触行为，如兴奋性突触后电流、成对脉冲促进，以及从感觉记忆到短期记忆和长期记忆的分层记忆过程。此外，在弯曲半径为20 mm的应变条件下，突触行为保持稳定，TAS 在1000次弯曲循环后仍表现出良好的耐久性。最后，通过将力和振动分别作为食物和铃声来应用，成功地模仿了巴甫洛夫式的调节。这项工作展示了一种生物启发的柔性人工突触，将有助于促进人工传入神经系统的发展，这对未来人工肢体、机器人和仿生学的实际应用具有重要意义。相关研究以“A Flexible Tribotronic Artificial Synapse with Bioinspired Neurosensory Behavior”为题发表在Nano-Micro Letters期刊上。

研究亮点

1. 展示了一个具有生物启发的神经感觉行为的灵活的摩擦电子人工突触，它与环境建立了一个积极的互动机制。

2. 通过改变机械输入模式，包括兴奋性突触后电流、成对脉冲促进和分层纪念过程，该装置可以很好地表现出可调控的突触行为。

3. 该装置具有良好的机械灵活性，即使在应变条件下，经过1000次弯曲半径为20 mm的弯曲，也能表现出稳定的突触功能。

总结与展望

综上所述，报告了一个摩擦静电势和EDL OTFT耦合的灵活TAS，它可以成功实现生物启发的神经感觉行为。由外部接触电气化产生的摩擦静电势被用作OTFT的离子凝胶门电压，通过离子的迁移/积累来调整通道载流子的运输，从而建立一个主动的交互机制。系统地研究了TAS的输出特性与外部刺激之间的关系。成功展示了由外部刺激驱动的TAS的一系列突触行为，如EPSC、PPF 以及从SM到STM和LTM的分层记忆过程。这主要归功于离子迁移-放松的动态行为。TAS表现出良好的机械灵活性，在弯曲半径为20 mm的拉伸和压缩应变状态下，仍能保持稳定的突触行为。此外，即使在弯曲半径为20 mm的情况下，经过1000次弯曲拉伸和压缩应变循环，TAS 仍然表现出良好的耐久性。最后，通过将力和振动分别作为食物和铃声来应用，成功地模仿了巴甫洛夫式的调节。这项工作展示了一种生物启发的柔性人工突触，将有助于促进人工传入神经系统的发展，这对未来人工肢体、机器人和仿生学的实际应用具有重大意义。

文献链接

A Flexible Tribotronic Artificial Synapse with Bioinspired Neurosensory Behavior

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00989-0

转自：“i学术i科研”微信公众号

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