东华大学张耀鹏教授、范苏娜副教授《Sci. China Mater.》：基于忆阻器的感-存-算一体化人工触觉感知系统
人工智能时代不仅对数据的处理和存储提出了更高的要求，而且要求智能系统可对外部环境变化进行实时准确的感知。因此，迫切需要构建一种类似于生物体的具有信息感知、处理和存储功能的感存算一体化系统。忆阻器作为一种非易失性存储器件，操作速度快、运行功耗低，同时融合了存储和处理功能。因此，将传感功能引入已具备存算一体特性的忆阻器，是构建感存算一体化单元的有效策略。
近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏、范苏娜团队报道了基于丝素蛋白（SF）复合忆阻器与压阻式传感器的感-存-算一体化人工触觉感知系统。该系统可实现对压力信号的感知、存储及加工，证实了其模拟生物体触觉神经系统的可能，有望促进在自动驾驶、可穿戴柔性电子、仿生机器人等人工智能领域的应用。相关研究成果以题为“Memristor-based artificial tactile perception systems with integrated functions of sensing, storage and computing”发表于Science China Materials。论文第一作者为东华大学硕士谢玉龙，共同通讯作者为东华大学张耀鹏教授和范苏娜副教授，葡萄牙米尼奥大学Subhas C. Kundu教授为共同作者。
图1 触觉感知系统的结构示意图
（i）生物体感知神经系统；（ii）人工触觉感知神经系统
人工触觉感知系统由压阻式传感器与丝素蛋白复合忆阻器串联而成（图1）。其中，由银纳米线（AgNWs）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）构成的传感器，用于快速响应外界压力刺激；经钙离子掺杂的SF忆阻器则作为仿生突触处理触觉信息。
图2 SF忆阻器的忆阻性能及仿生突触行为
（a）I-V特性曲线；（b）高低阻态保持特性；（c）响应速度；（d）长程可塑性；（e）双脉冲异化（PPF）效应；（f）PPF指数随两个连续脉冲电压之间的间隔时间的变化
该SF忆阻器在100次循环测试过程中可保持稳定的电阻转变过程，高低阻值可维持104 s，且具有较快的响应速度（90 ns、78 ns）（图2a-c）。在持续的脉冲电压刺激下，可模拟神经突触的长程可塑性、双脉冲异化（PPF）等特性（图2d-f），证实了器件具有储存和处理信息的功能。
图3 SF复合忆阻器的忆阻机理
（a）高低阻态下的三维电流图；（b）功能层注入电荷不同时间后的表面电势；（c）双对数I-V曲线；（d）电阻转变示意图
结合原子力显微镜的电流模式和KPFM模式，证实了忆阻器的功能层具有良好的电荷捕获和存储能力。进一步，对高低阻态的I-V曲线进行双对数拟合分析，揭示了SF复合忆阻器的忆阻机制由空间电荷限制电流机制主导（图3）。
图4 传感器的结构及电学性能
（a）施加外力前后器件的结构变化；（b）不同压力下传感器的电流-电压曲线；（c）在不同压力下的实时电流响应；（d）在4 N作用力下的电流响应及响应速度；（e）在施加和撤除压力时的循环稳定性
外部压力的作用会导致微金字塔结构的AgNWs/PDMS膜发生形变，增加其表面AgNWs和柔性电极之间的接触面积，从而导致器件的电阻减小，电流增大（图4ab），实现了压力信号向电信号的转化。随着施加压力的增大，器件的阻值逐渐减小，但可在相同压力作用下维持稳定的阻值，具有高灵敏度和高稳定性，为压力感知处理系统的构建奠定了基础。
图5 人工触觉感知系统的功能验证
（a）施加压力前后系统的电流响应；（b）连续两次相同压力下的电流响应；（c）连续多次相同压力下的电流响应；（d）连续多次轻压（绿色）和重压（蓝色）下电流响应
在压力刺激下，人工触觉感知系统在受到连续两次压力刺激后，呈现出PPT现象；随施加压力次数的增加，则表现出长程可塑性（图5a-c）。该触觉感知系统在增加压力施加次数或增大施加压力的情况下，对压力刺激的记忆效果均逐渐增强（图5d），证实了该系统可对外界压力信号进行感知、存储和计算，即感-存-算一体化。
此工作得到了上海市科委青年科技启明星项目、上海市科委基础研究项目、国家自然科学基金、上海市东方英才领军项目等项目的资助。特别感谢岛津公司刘仁威博士在AFM、KPFM表征方面提供的帮助。
原文链接：
https://doi.org/10.1007/s40843-024-3072-4
