作者简介
王雅茸同学为北京大学深圳研究生院硕士研究生，本科毕业于南开大学。目前主要研究方向为神经突触器件、柔性可拉伸电子。曾以第一作者身份在ACS Nano、Nanoscale等知名期刊发表学术论文。对以下内容有任何疑问或建议可联系邮箱：yarongw@163.com。
本期与大家分享的是由北京大学张敏副教授团队于2022年4月发表在ACS Nano上的一篇文章，题目为“Stretchable Temperature-Responsive Multi-Modal Neuromorphic Electronic Skin with Spontaneous Synaptic Plasticity Recovery”。该研究通过在神经形态阵列中引入机械感受器和温度感受器，首次提出并实现了具有感知和记忆功能的可拉伸温度响应多模态神经形态电子皮肤(stretchable temperature-responsive multimodal neuromorphic electronic skin, STRM-NES)。
背景介绍
具有类人感知功能的可拉伸电子皮肤对于开发智能软性或可植入性应用至关重要，如可穿戴电子设备、智能机器人、人工神经网络、皮肤修复及人机界面等。人体皮肤的感觉感受器在接受到外界刺激时，会将不同形式的物理刺激转化为信息编码，传递到大脑神经元，使大脑能够正确解释这些信号，进而使人类能够快速安全地与周围环境进行交互。近年来，研究人员试图整合各种类型的传感器和人工神经形态器件，使其接近人类皮肤的功能，具有复杂的突触记忆功能。不仅要求电子皮肤尽可能像人类皮肤一样具备感觉，能感觉温度和触觉等刺激，还要求其具备智能和知觉。然而，目前可以同时实现温度和应力拉伸响应，并具备感知、记忆以及自愈合特性的可拉伸神经形态电子皮肤尚未见相关报道。
主要内容
该工作提出了一种采用PVA薄膜和SiO2堆叠作为介电层的神经形态阵列。碳纳米管（CNT）网络的可拉伸性扩展了在可穿戴设备和人造电子设备中的新兴应用。PVA水凝胶中丰富的氢键是其在神经形态突触装置中应用的主要原因。当人体皮肤感觉系统接收到不同类型的刺激信号时，这些神经信号会通过局部神经簇传递到脊髓，最终传递到大脑。这个过程可以通过向制造的人造皮肤状突触装置施加电脉冲来模拟（图1）。这些器件能够以各种曲率无缝贴附在皮肤表面，使表皮温度传感器能够长期连续地进行生理温度传感。当向栅电极施加负电压时，质子会迁移到栅电极/电解质界面，导致空穴在沟道中积累，沟道电导增加。在相同栅极电压下，随着脉冲持续时间的增加，可转移质子逐渐达到饱和状态，相对变化幅度减小。通道电导由栅极电压基于栅极介质层中的离子迁移来调节，这类似于突触信号传输的过程。
图1
神经系统的突触可塑性反映了连接神经细胞的突触强度的可调特性。兴奋性突触后电流（EPSC）和抑制性突触后电流（IPSC）在人工突触中通过分别对门施加单独的负和正尖峰来模拟（图2）。随着突触前脉冲持续时间的增加，更多的离子可以迁移到栅极/通道界面，导致突触后电流的调节程度更高。突触前刺激终止后，更宽的突触前脉冲宽度会导致更大的弛豫时间。STRM-NES模仿双脉冲促进（PPF）的过程如图3所示。
图2
图3
结果表明，随着突触前脉冲间隔的增加，PPF指数减小，PPF指数随脉冲间隔的变化符合指数衰减函数。随着拉伸变形程度的增加，PPF指数整体呈下降趋势。当STRM-NES在经过1000次拉伸循环后仍表现出优异的突触性能，这意味着人造皮肤状突触可以像人体皮肤一样稳定地抵抗和响应外部机械应变。此外，STRM-NES还可以进一步模拟巴甫洛夫条件反射。STRM-NES的联想学习和消退如图4所示，幅度为-2 V和-1 V的突触前脉冲分别对应于“食物”信号和“铃铛”信号。在同时施加30次连续的食物和铃脉冲后，当仅对门施加铃脉冲时，突触后电流也超过了阈值，表明突触晶体管连接了两个突触前脉冲，实现了联想学习的过程。在50%的应变下，突触晶体管仍呈现出与突触前脉冲相似的响应趋势，表明该器件具有良好的机械鲁棒性。
图4
温度传感是人体的触摸传感机制之一。PVA水凝胶的特点是分子链通过氢键和微晶区形成三维网络（图5）。随着温度的升高，它改变了氢键之间的相互作用，导致原子之间的距离增加，因此质子更有可能在PVA中跳跃并参与突触特性的调节。该装置在多脉冲训练中的热调制效应表明，在负脉冲刺激下，随着温度的升高，突触后电流增加，表明突触增强。在正脉冲刺激下，随着热温度的升高，突触后电流减少，表明抑制（图6）。
图5
图6
此外，STRM-NES燃烧产生的自愈能力可以模仿人类皮肤的自愈能力。这种自我修复特性归因于PVA大分子的羟基之间的氢键（图7）。为了测试温度传感器的空间分辨率能力，STRM-NES被加热到50°C，带有字母图案“P”。随着脉冲刺激的增加，成功地捕捉到了温度模式的实时变化。100次训练后等待100秒后，温度记忆减少15%，显示出可伸缩传感器作为生理温度监测和记忆系统的可能性，这对于人造电子皮肤特别有价值。
图7
总结：该研究展示了多功能调制本征可拉伸的人造电子皮肤，同时集成了温度和机械变形感知和突触功能。制备的STRM-NES不仅表现出良好的拉伸性能，在50%应变后仍保持一定的突触可塑性，而且在温度变化后仍能提高记忆的保留时间、学习效率和知觉记忆能力。此外，本征可拉伸的突触晶体管的燃烧自愈性能是非常有意义的。由多个传感器组成的温度感知阵列具有温度-位置分辨率可调性。拉伸应变后，温度识别模式仍表现出相似的趋势。提出的仿生皮肤阵列能够高效、可识别、实时监测温度和应变的变化，并能长期记忆人体生理信息，实现对个体和外部环境状态的实时实时监测。该STRM-NES可以高效、高灵敏度地、长期监测和记忆温度或应力的变化，实时原位监测个体和外部环境信息。该STRM-NES还具有出色的自愈合能力和可重复使用性，表现出与人类皮肤相似的感知、传递、记忆、自愈合特性，为未来可穿戴电子设备、智能机器人、皮肤假肢修复等应用提供了新的可能性。
来源：芯系清华