能“看”能“记”的仿生突触，让AI芯片更懂人

  在传统计算机中，处理信息和存储信息是两个独立的单元，这导致了高能耗和延迟。而人类大脑却能在同一神经元中同时完成感知、处理和记忆，实现高效且自适应的信息处理。近年来，科学家们一直在努力开发能够模仿这种能力的神经形态计算设备。

  最近，来自阿卜杜拉国王科技大学（KAUST） 的研究团队在这一领域取得了两项重要进展，分别以A Retina-Inspired Organic Iono-Optoelectronic Synapse和Organic Electrochemical Synaptic Transistors with Improved Retention for Logic and Biosignal Processing为题发表在《Advanced Materials》上。

  他们设计出两种新型的有机电化学突触晶体管，不仅能够稳定存储信息，还能直接处理光信号和生理信号，向真正的“感存算一体”仿生芯片迈出了关键一步。

一、视网膜启发的光电子突触：用“光”来学习和记忆

  在其中一项创新工作中，团队受到生物视网膜的启发，开发出一种能同时感知光信号并具有突触可塑性的新型器件——有机离子光电子突触（OIOES）。

设计灵感

  视网膜能无缝集成光感知、自适应信号调制和突触学习。团队利用一种新型p型OMIEC材料——gDPP-MeOT2，使其同时具备广谱光吸收（可见光到近红外） 和离子储存/传输能力。

器件如何工作？

  当光照射器件时，光生载流子会改变聚合物薄膜的电位和电容，从而调控沟道的电导状态。这个过程模拟了视网膜中光信号转化为神经电信号的基本机制。

多功能演示

  1.光控突触行为：器件展现出配对脉冲易化、短期记忆到长期记忆的转变等关键突触特性，且所有操作均在超低电压（0.4 V） 下完成。

  2.光重构逻辑门：通过与n型材料结合，构建出光控反相器，仅通过光输入就能切换逻辑状态（0/1）。

  3.多光谱图像降噪：利用器件对多波长（红、绿、蓝、近红外）的响应，作为光学卷积核，对添加了噪声的彩色图像进行前端降噪处理，再经卷积神经网络识别，最终识别准确率从噪声图像的72.25%提升至78.86%。

  这项研究首次在p型材料中实现了光与离子耦合的突触行为，为开发节能、视网膜启发的神经形态视觉系统铺平了道路。

未来展望：更智能、更集成的生物融合电子

  这两项研究展示了有机混合离子电子导体在构建下一代智能电子设备中的巨大潜力。通过巧妙的材料设计和后处理工艺，科学家们让电子器件不仅能够稳定地存储信息，还能直接感知并处理光、生理信号等复杂输入。

  未来的研究方向可能包括：

• 开发具有离子选择性的材料，以响应特定的生物分子（如神经递质）。

• 将单个突触器件集成到大规模阵列中，实现更复杂的感存算一体功能。

• 将这些柔性、低功耗的器件与生物体集成，用于实时健康监测、智能假肢或脑机接口。

  从“记忆”更持久的突触，到能“看”会“学”的光电子器件，有机电子学正在模糊硬件与生命系统之间的界限，一个由仿生智能设备驱动的未来，已初见曙光。

二、热退火技术：让“记忆”更长久

  在另一项工作中，团队聚焦于提升有机电化学突触晶体管（OEST）的记忆保持能力。

关键问题

  基于有机混合离子电子导体（OMIEC）的OEST器件，虽然能模拟生物突触的行为，但在环境中长期保持记忆状态、实现精确的电导调控仍然是一大挑战。

解决方案：热退火

  研究团队发现，通过对半导体薄膜进行热退火处理，可以显著优化薄膜的微观结构，增强聚合物与离子之间的相互作用，从而提升器件性能。

性能突破

• 记忆保持：经过150°C退火处理的器件，在1000秒后仍能保持82% 的初始电导范围，远高于未处理器件的60%。

• 稳定可编程：器件展现出超过200个可区分的电导状态，动态范围达到2.5倍，并且在20000次操作循环中性能几乎无漂移。

• 逻辑与信号处理：研究者成功将优化后的OEST集成为非易失性逻辑门（NOT、NAND、NOR），并用于高保真地记录和存储心电图（ECG）信号长达1200秒，设备在7天内可重复使用。此外，还能对光电容积脉搏波（PPG）信号进行神经形态计算，实现活动分类，准确率达76.1%。

  这项研究建立了材料处理、器件物理和神经形态功能之间的清晰联系，为下一代生物电子和计算技术的集成传感计算系统奠定了基础。

  第一作者为王亚洲博士和博士生单文韬，通讯作者为Sahika Inal教授，合作者为北京大学雷霆教授以及博士生雷洵。

相关论文：

  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