?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(duì)于高性能的分布式計(jì)算越來(lái)越苛求。經(jīng)典的馮.諾依曼架構(gòu)擅長(zhǎng)面對(duì)預(yù)設(shè)的問(wèn)題，提供精確的計(jì)算，順序解決結(jié)構(gòu)性問(wèn)題。在智能化社會(huì)里，面對(duì)人機(jī)交互的大量傳感信息，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只能被迫預(yù)設(shè)更多的答案，其復(fù)雜度會(huì)指數(shù)級(jí)遞加，因此必須要尋求一種主動(dòng)式、事件驅(qū)動(dòng)型的信息處理方式。
壓電電子學(xué)（Nat.Rev.Mater.2016,24,23）作為一個(gè)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(shì)作為柵極來(lái)控制載流子在界面處的產(chǎn)生、傳輸、分離或復(fù)合，為機(jī)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(hào)“主動(dòng)式”觸發(fā)和傳感原型。壓電電子學(xué)被廣泛應(yīng)用于“主動(dòng)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(dòng)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(duì)金屬-半導(dǎo)體或PN結(jié)的界面調(diào)控，利用壓電勢(shì)驅(qū)動(dòng)/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(shì)靜/動(dòng)態(tài)調(diào)控載流子濃度（ACS Nano 2019,1,582），調(diào)控肖特基勢(shì)壘器件（Nano Energy 2018,50,598），驅(qū)動(dòng)應(yīng)變傳感器（Adv.Mater.2015,27,3411）、壓電勢(shì)寫(xiě)入非易失性存儲(chǔ)器（ACS Nano 2016,10,11037）和自驅(qū)動(dòng)多級(jí)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(jì)算模型處理觸覺(jué)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(guò)外界應(yīng)變的時(shí)空特征來(lái)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(cè)、傳輸和處理單元，可以簡(jiǎn)單的看作一個(gè)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(shì)可以取代柵壓對(duì)人工突觸器件進(jìn)行有效的調(diào)控。這項(xiàng)工作代表著將主動(dòng)式神經(jīng)形態(tài)電子皮膚用于機(jī)器人和假肢的方向又前進(jìn)了一步。
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圖1.生物傳感過(guò)程與人工感知突觸器件示意圖
凝膠中獨(dú)特的離子響應(yīng)行為和石墨烯界面處極強(qiáng)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(jī)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(shì)以外部脈沖的時(shí)空信息（應(yīng)變、數(shù)量、時(shí)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(shì)的影響下定向聚集，從而對(duì)石墨烯溝道的電導(dǎo)進(jìn)行調(diào)控，如圖2所示，人工突觸器件因此能直接對(duì)外部應(yīng)變進(jìn)行響應(yīng)?；谑┑纳窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片，配合發(fā)電機(jī)有源矩陣，可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)壓電調(diào)控和神經(jīng)形態(tài)機(jī)械感覺(jué)系統(tǒng)的接口功能。同時(shí)，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(jī)理
生物神經(jīng)傳導(dǎo)領(lǐng)域的深入研究促進(jìn)了模仿神經(jīng)感知反饋的觸覺(jué)信息處理系統(tǒng)的進(jìn)一步完善。突觸電子學(xué)作為仿生神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中的一個(gè)新興領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。突觸可塑性是對(duì)感知信號(hào)執(zhí)行分布式計(jì)算的基礎(chǔ)，依據(jù)權(quán)重在信號(hào)的傳輸過(guò)程中進(jìn)行初步加工。突觸是生物信號(hào)在神經(jīng)纖維中進(jìn)行傳輸?shù)奈锢砉?jié)點(diǎn)，具備雙向可塑性。其權(quán)重不光可以增加，以代表一個(gè)強(qiáng)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(jī)器人傳感的神經(jīng)形態(tài)界面和實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，具有模擬實(shí)現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)的尖峰時(shí)序依賴塑性功能的必備條件，還有通過(guò)脈沖神經(jīng)算法來(lái)實(shí)現(xiàn)人工智能的無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)、動(dòng)作捕捉和模式識(shí)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(dòng)態(tài)時(shí)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(dú)具的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算特性。作為空間分辨的基本性能，器件對(duì)于不同信號(hào)源的輸入有不同的響應(yīng)。對(duì)于不同順序的刺激脈沖，器件的響應(yīng)程度也不同，以實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨的基礎(chǔ)。同時(shí)，此人工突觸還展示了分別對(duì)應(yīng)于壓縮應(yīng)變和拉伸應(yīng)變的邏輯關(guān)系，這是未來(lái)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(shí)現(xiàn)并行知覺(jué)計(jì)算系統(tǒng)的基礎(chǔ)。
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圖4.基于動(dòng)態(tài)時(shí)空邏輯的多感知反饋
這項(xiàng)工作可能為自驅(qū)動(dòng)人工智能和神經(jīng)機(jī)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(jìn)功能材料》雜志上，陳有輝、高國(guó)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。