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微電子所羅慶/半導體所王麗麗 Adv. Mater.:基于鐵電隧道結與生物傳感器集成的人工神經系統(tǒng)
2024-08-25  來源:高分子科技

  生物神經系統(tǒng)在處理創(chuàng)新和復雜的現(xiàn)實問題方面表現(xiàn)出色,超越了傳統(tǒng)的人造設備。人工神經系統(tǒng)在硬件層面的仿生設計可以從根本上改變信息感知,信息處理和信息傳遞的方式,在模擬復雜神經信號傳導方面表現(xiàn)出巨大的潛力。仿生設計的挑戰(zhàn)在于實現(xiàn)模仿或超越真實神經元的完全信號轉導,同時盡可能簡化復雜的硬件集成。然而,更仿生的基于生化信號傳導的人工神經系統(tǒng)設計依舊落后于基于物理信號傳導的人工神經系統(tǒng),并且依賴外部電源驅動,這限制了系統(tǒng)的小型化,集成化以及實際應用場景。同時,目前常規(guī)的生物突觸器件在功耗和穩(wěn)定性方面存在劣勢,這也限制了人工神經系統(tǒng)的發(fā)展。


  鑒于此,中國科學院微電子研究所羅慶研究員和中國科學院半導體研究所王麗麗研究員團隊聯(lián)合開發(fā)了一款集成生物源感器件與鐵電隧道結的零電壓寫入人工神經系統(tǒng),可以實現(xiàn)基于離子生物源的神經形態(tài)生物信號轉導(圖1)。在該系統(tǒng)中,離子生物源既是感知源又是能量源。生物源感器件由雙層非對稱的氧化石墨烯基薄膜組成,可以實現(xiàn)離子信號的感知和能量的輸出,其輸出性能在目前報道的相關零電壓寫入器件中處于較高水平,超過了大多數(shù)基于氧化石墨烯的器件。此外,生物突觸器件為基于鋯摻雜氧化鉿的鐵電隧道結,該器件在系統(tǒng)中表現(xiàn)出連續(xù)電導可調以及優(yōu)異的穩(wěn)定性,其隧道電阻隨外界電壓變化的行為與突觸可塑性非常相似,可以準確的進行神經形態(tài)的信號調制。


圖1:零電壓寫入人工神經系統(tǒng)的結構設計與性能測試


  在實際應用展示環(huán)節(jié),將零電壓寫入人工神經系統(tǒng)與柔性神經刺激電極集成,用于兔子腿部肌肉控制(圖2)。實驗結果表明,隨著溶液離子濃度的增加,兔子腿部擺動角度和肌電信號逐漸增大。該結果證明了零電壓寫入人工神經系統(tǒng)通過感知離子濃度實現(xiàn)了腿部肌肉的精確控制,成功模擬了生物神經系統(tǒng)的部分功能進行運動控制。最后,將系統(tǒng)進行了細胞毒性和體內生物相容性實驗,證明了零電壓寫入人工神經系統(tǒng)的體內應用的潛力。該項工作擴展了人工神經系統(tǒng)在信號源和調制單元方面的可行結構,推動了機器人和假肢中集成仿生電子系統(tǒng)的發(fā)展。


圖2:使用動物肌肉控制實驗進行系統(tǒng)驗證


  上述研究成果以“A Zero-Voltage-Writing Artificial Nervous System Based on Biosensor Integrated on Ferroelectric Tunnel Junction”為題發(fā)表在《先進材料》期刊(Advanced Materials)。半導體研究所博士生秦曉坤,博士生鐘博文以及微電子研究所博士呂舒賢為論文的共同第一作者,微電子研究所羅慶研究員半導體研究所王麗麗研究員為論文的通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金和中國科學院青年創(chuàng)新促進會的經費支持。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202404026

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