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能“看”能“記”的仿生突觸，讓AI芯片更懂人

  在傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)中，處理信息和存儲(chǔ)信息是兩個(gè)獨(dú)立的單元，這導(dǎo)致了高能耗和延遲。而人類大腦卻能在同一神經(jīng)元中同時(shí)完成感知、處理和記憶，實(shí)現(xiàn)高效且自適應(yīng)的信息處理。近年來(lái)，科學(xué)家們一直在努力開發(fā)能夠模仿這種能力的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算設(shè)備。

  最近，來(lái)自阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST） 的研究團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域取得了兩項(xiàng)重要進(jìn)展，分別以A Retina-Inspired Organic Iono-Optoelectronic Synapse和Organic Electrochemical Synaptic Transistors with Improved Retention for Logic and Biosignal Processing為題發(fā)表在《Advanced Materials》上。

  他們?cè)O(shè)計(jì)出兩種新型的有機(jī)電化學(xué)突觸晶體管，不僅能夠穩(wěn)定存儲(chǔ)信息，還能直接處理光信號(hào)和生理信號(hào)，向真正的“感存算一體”仿生芯片邁出了關(guān)鍵一步。

一、視網(wǎng)膜啟發(fā)的光電子突觸：用“光”來(lái)學(xué)習(xí)和記憶

  在其中一項(xiàng)創(chuàng)新工作中，團(tuán)隊(duì)受到生物視網(wǎng)膜的啟發(fā)，開發(fā)出一種能同時(shí)感知光信號(hào)并具有突觸可塑性的新型器件——有機(jī)離子光電子突觸（OIOES）。

設(shè)計(jì)靈感

  視網(wǎng)膜能無(wú)縫集成光感知、自適應(yīng)信號(hào)調(diào)制和突觸學(xué)習(xí)。團(tuán)隊(duì)利用一種新型p型OMIEC材料——gDPP-MeOT2，使其同時(shí)具備廣譜光吸收（可見(jiàn)光到近紅外） 和離子儲(chǔ)存/傳輸能力。

器件如何工作？

  當(dāng)光照射器件時(shí)，光生載流子會(huì)改變聚合物薄膜的電位和電容，從而調(diào)控溝道的電導(dǎo)狀態(tài)。這個(gè)過(guò)程模擬了視網(wǎng)膜中光信號(hào)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)電信號(hào)的基本機(jī)制。

多功能演示

  1.光控突觸行為：器件展現(xiàn)出配對(duì)脈沖易化、短期記憶到長(zhǎng)期記憶的轉(zhuǎn)變等關(guān)鍵突觸特性，且所有操作均在超低電壓（0.4 V） 下完成。

  2.光重構(gòu)邏輯門：通過(guò)與n型材料結(jié)合，構(gòu)建出光控反相器，僅通過(guò)光輸入就能切換邏輯狀態(tài)（0/1）。

  3.多光譜圖像降噪：利用器件對(duì)多波長(zhǎng)（紅、綠、藍(lán)、近紅外）的響應(yīng)，作為光學(xué)卷積核，對(duì)添加了噪聲的彩色圖像進(jìn)行前端降噪處理，再經(jīng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別，最終識(shí)別準(zhǔn)確率從噪聲圖像的72.25%提升至78.86%。

  這項(xiàng)研究首次在p型材料中實(shí)現(xiàn)了光與離子耦合的突觸行為，為開發(fā)節(jié)能、視網(wǎng)膜啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)視覺(jué)系統(tǒng)鋪平了道路。

未來(lái)展望：更智能、更集成的生物融合電子

  這兩項(xiàng)研究展示了有機(jī)混合離子電子導(dǎo)體在構(gòu)建下一代智能電子設(shè)備中的巨大潛力。通過(guò)巧妙的材料設(shè)計(jì)和后處理工藝，科學(xué)家們讓電子器件不僅能夠穩(wěn)定地存儲(chǔ)信息，還能直接感知并處理光、生理信號(hào)等復(fù)雜輸入。

  未來(lái)的研究方向可能包括：

• 開發(fā)具有離子選擇性的材料，以響應(yīng)特定的生物分子（如神經(jīng)遞質(zhì)）。

• 將單個(gè)突觸器件集成到大規(guī)模陣列中，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的感存算一體功能。

• 將這些柔性、低功耗的器件與生物體集成，用于實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)、智能假肢或腦機(jī)接口。

  從“記憶”更持久的突觸，到能“看”會(huì)“學(xué)”的光電子器件，有機(jī)電子學(xué)正在模糊硬件與生命系統(tǒng)之間的界限，一個(gè)由仿生智能設(shè)備驅(qū)動(dòng)的未來(lái)，已初見(jiàn)曙光。

二、熱退火技術(shù)：讓“記憶”更長(zhǎng)久

  在另一項(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)聚焦于提升有機(jī)電化學(xué)突觸晶體管（OEST）的記憶保持能力。

關(guān)鍵問(wèn)題

  基于有機(jī)混合離子電子導(dǎo)體（OMIEC）的OEST器件，雖然能模擬生物突觸的行為，但在環(huán)境中長(zhǎng)期保持記憶狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)精確的電導(dǎo)調(diào)控仍然是一大挑戰(zhàn)。

解決方案：熱退火

  研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體薄膜進(jìn)行熱退火處理，可以顯著優(yōu)化薄膜的微觀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)聚合物與離子之間的相互作用，從而提升器件性能。

性能突破

• 記憶保持：經(jīng)過(guò)150°C退火處理的器件，在1000秒后仍能保持82% 的初始電導(dǎo)范圍，遠(yuǎn)高于未處理器件的60%。

• 穩(wěn)定可編程：器件展現(xiàn)出超過(guò)200個(gè)可區(qū)分的電導(dǎo)狀態(tài)，動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到2.5倍，并且在20000次操作循環(huán)中性能幾乎無(wú)漂移。

• 邏輯與信號(hào)處理：研究者成功將優(yōu)化后的OEST集成為非易失性邏輯門（NOT、NAND、NOR），并用于高保真地記錄和存儲(chǔ)心電圖（ECG）信號(hào)長(zhǎng)達(dá)1200秒，設(shè)備在7天內(nèi)可重復(fù)使用。此外，還能對(duì)光電容積脈搏波（PPG）信號(hào)進(jìn)行神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)活動(dòng)分類，準(zhǔn)確率達(dá)76.1%。

  這項(xiàng)研究建立了材料處理、器件物理和神經(jīng)形態(tài)功能之間的清晰聯(lián)系，為下一代生物電子和計(jì)算技術(shù)的集成傳感計(jì)算系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

  第一作者為王亞洲博士和博士生單文韜，通訊作者為Sahika Inal教授，合作者為北京大學(xué)雷霆教授以及博士生雷洵。

相關(guān)論文：

  1.A Retina‐Inspired Organic Iono‐Optoelectronic Synapse

  https://doi.org/10.1002/adma.202514620

  2.Organic Electrochemical Synaptic Transistors with Improved Retention for Logic and Biosignal Processing

  https://doi.org/10.1002/adma.202513703