?中科院孫其君課題組：壓電調(diào)制石墨烯人工傳感突觸

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隨著人工智能熱潮的興起，對于高性能的分布式計算越來越苛求。經(jīng)典的馮.諾依曼架構(gòu)擅長面對預(yù)設(shè)的問題，提供精確的計算，順序解決結(jié)構(gòu)性問題。在智能化社會里，面對人機交互的大量傳感信息，傳統(tǒng)計算機只能被迫預(yù)設(shè)更多的答案，其復(fù)雜度會指數(shù)級遞加，因此必須要尋求一種主動式、事件驅(qū)動型的信息處理方式。



壓電電子學(xué)（Nat.Rev.Mater.2016,24,23）作為一個新興的多學(xué)科研究領(lǐng)域，和直接連接/觸發(fā)，是利用壓電勢作為柵極來控制載流子在界面處的產(chǎn)生、傳輸、分離或復(fù)合，為機械刺激引起的壓電極化與半導(dǎo)體傳輸特性之間的耦合效應(yīng)提供了具有相應(yīng)電輸出信號“主動式”觸發(fā)和傳感原型。壓電電子學(xué)被廣泛應(yīng)用于“主動式”調(diào)控半導(dǎo)體器件、能源采集、可植入式醫(yī)療和自驅(qū)動系統(tǒng)等。目前，壓電電子學(xué)的發(fā)展已不局限于兼具半導(dǎo)體和壓電性能的材料對金屬-半導(dǎo)體或PN結(jié)的界面調(diào)控，利用壓電勢驅(qū)動/控制的半導(dǎo)體器件都可以歸納入更廣義的壓電電子學(xué)范疇，例如利用壓電勢靜/動態(tài)調(diào)控載流子濃度（ACS Nano 2019,1,582），調(diào)控肖特基勢壘器件（Nano Energy 2018,50,598），驅(qū)動應(yīng)變傳感器（Adv.Mater.2015,27,3411）、壓電勢寫入非易失性存儲器（ACS Nano 2016,10,11037）和自驅(qū)動多級傳感器（ACS Nano,2018,12,254）等。



觸控操作是當(dāng)前智能設(shè)備的主流交互手段，依據(jù)去中心化計算模型處理觸覺信息的思路，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的孫其君課題組提出了一種能夠通過外界應(yīng)變的時空特征來調(diào)節(jié)權(quán)重的石墨烯人工傳感突觸（圖1）。該系統(tǒng)包括感測、傳輸和處理單元，可以簡單的看作一個感知神經(jīng)系統(tǒng)?；谠陔x子凝膠和石墨烯界面處形成的雙電層，壓電電勢可以取代柵壓對人工突觸器件進行有效的調(diào)控。這項工作代表著將主動式神經(jīng)形態(tài)電子皮膚用于機器人和假肢的方向又前進了一步。



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圖1.生物傳感過程與人工感知突觸器件示意圖



凝膠中獨特的離子響應(yīng)行為和石墨烯界面處極強的離子/電子耦合現(xiàn)象，符合神經(jīng)仿生和生化傳感領(lǐng)域的需求。機械刺激引起的壓電極化與半導(dǎo)體傳輸特性之間的效應(yīng)賦予了輸出電勢以外部脈沖的時空信息（應(yīng)變、數(shù)量、時間等），電介質(zhì)中的離子在定向排列的偶極子所產(chǎn)生的壓電勢的影響下定向聚集，從而對石墨烯溝道的電導(dǎo)進行調(diào)控，如圖2所示，人工突觸器件因此能直接對外部應(yīng)變進行響應(yīng)?；谑┑纳窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，配合發(fā)電機有源矩陣，可以實現(xiàn)靜態(tài)、動態(tài)壓電調(diào)控和神經(jīng)形態(tài)機械感覺系統(tǒng)的接口功能。同時，作為兼容光刻工藝的四族材料，很容易利用現(xiàn)有的硅基半導(dǎo)體CMOS產(chǎn)線制造新一代大規(guī)模集成電路。



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圖2.晶體管器件的基本性能和工作機理



生物神經(jīng)傳導(dǎo)領(lǐng)域的深入研究促進了模仿神經(jīng)感知反饋的觸覺信息處理系統(tǒng)的進一步完善。突觸電子學(xué)作為仿生神經(jīng)形態(tài)計算中的一個新興領(lǐng)域展現(xiàn)出了強勁的發(fā)展勢頭。突觸可塑性是對感知信號執(zhí)行分布式計算的基礎(chǔ)，依據(jù)權(quán)重在信號的傳輸過程中進行初步加工。突觸是生物信號在神經(jīng)纖維中進行傳輸?shù)奈锢砉?jié)點，具備雙向可塑性。其權(quán)重不光可以增加，以代表一個強化學(xué)習(xí)的行為，也可以抑制，以保持神經(jīng)系統(tǒng)的整體低功耗特性（圖3）?；谥悄軌弘娋w管模擬的人工突觸有助于搭建機器人傳感的神經(jīng)形態(tài)界面和實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，具有模擬實現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)的尖峰時序依賴塑性功能的必備條件，還有通過脈沖神經(jīng)算法來實現(xiàn)人工智能的無監(jiān)督學(xué)習(xí)、動作捕捉和模式識別的潛力。



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圖3.人工突觸的可塑性調(diào)節(jié)展示



多感知反饋可以在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間建立起動態(tài)時空邏輯關(guān)系（圖4）。這是感知突觸不同于經(jīng)典的傳感器，而獨具的神經(jīng)形態(tài)計算特性。作為空間分辨的基本性能，器件對于不同信號源的輸入有不同的響應(yīng)。對于不同順序的刺激脈沖，器件的響應(yīng)程度也不同，以實現(xiàn)時間分辨的基礎(chǔ)。同時，此人工突觸還展示了分別對應(yīng)于壓縮應(yīng)變和拉伸應(yīng)變的邏輯關(guān)系，這是未來構(gòu)建更加復(fù)雜和多功能的大規(guī)模人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元，實現(xiàn)并行知覺計算系統(tǒng)的基礎(chǔ)。



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圖4.基于動態(tài)時空邏輯的多感知反饋



這項工作可能為自驅(qū)動人工智能和神經(jīng)機器人鋪平道路。研究結(jié)果以《壓電調(diào)控石墨烯式人工感知突觸》為題發(fā)表于《先進功能材料》雜志上，陳有輝、高國云、趙靜為共同第一作者。以此工作為基礎(chǔ)并拓展，孫其君課題組目前已完成后續(xù)更加智能和系統(tǒng)性的工作。