微电子所罗庆/半导体所王丽丽 Adv. Mater.：基于铁电隧道结与生物传感器集成的人工神经系统

2024-08-25 来源：高分子科技

生物神经系统在处理创新和复杂的现实问题方面表现出色，超越了传统的人造设备。人工神经系统在硬件层面的仿生设计可以从根本上改变信息感知，信息处理和信息传递的方式，在模拟复杂神经信号传导方面表现出巨大的潜力。仿生设计的挑战在于实现模仿或超越真实神经元的完全信号转导，同时尽可能简化复杂的硬件集成。然而，更仿生的基于生化信号传导的人工神经系统设计依旧落后于基于物理信号传导的人工神经系统，并且依赖外部电源驱动，这限制了系统的小型化，集成化以及实际应用场景。同时，目前常规的生物突触器件在功耗和稳定性方面存在劣势，这也限制了人工神经系统的发展。

鉴于此，中国科学院微电子研究所罗庆研究员和中国科学院半导体研究所王丽丽研究员团队联合开发了一款集成生物源感器件与铁电隧道结的零电压写入人工神经系统，可以实现基于离子生物源的神经形态生物信号转导（图1）。在该系统中，离子生物源既是感知源又是能量源。生物源感器件由双层非对称的氧化石墨烯基薄膜组成，可以实现离子信号的感知和能量的输出，其输出性能在目前报道的相关零电压写入器件中处于较高水平，超过了大多数基于氧化石墨烯的器件。此外，生物突触器件为基于锆掺杂氧化铪的铁电隧道结，该器件在系统中表现出连续电导可调以及优异的稳定性，其隧道电阻随外界电压变化的行为与突触可塑性非常相似，可以准确的进行神经形态的信号调制。

图1：零电压写入人工神经系统的结构设计与性能测试

在实际应用展示环节，将零电压写入人工神经系统与柔性神经刺激电极集成，用于兔子腿部肌肉控制（图2）。实验结果表明，随着溶液离子浓度的增加，兔子腿部摆动角度和肌电信号逐渐增大。该结果证明了零电压写入人工神经系统通过感知离子浓度实现了腿部肌肉的精确控制，成功模拟了生物神经系统的部分功能进行运动控制。最后，将系统进行了细胞毒性和体内生物相容性实验，证明了零电压写入人工神经系统的体内应用的潜力。该项工作扩展了人工神经系统在信号源和调制单元方面的可行结构，推动了机器人和假肢中集成仿生电子系统的发展。

图2：使用动物肌肉控制实验进行系统验证

上述研究成果以“A Zero-Voltage-Writing Artificial Nervous System Based on Biosensor Integrated on Ferroelectric Tunnel Junction”为题发表在《先进材料》期刊（Advanced Materials）。半导体研究所博士生秦晓坤，博士生钟博文以及微电子研究所博士生吕舒贤为论文的共同第一作者，微电子研究所罗庆研究员和半导体研究所王丽丽研究员为论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和中国科学院青年创新促进会的经费支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202404026

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（责任编辑：xu）

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