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中科院蘇州納米所等在纖維狀光電人工突觸于可穿戴視覺記憶系統(tǒng)取得進(jìn)展
2023/1/8 11:05:48     

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【產(chǎn)通社,1月8日訊】中國科學(xué)院(Chinese Academy of Sciences)官網(wǎng)消息,伴隨傳統(tǒng)紡織業(yè)與電子、制造、傳感和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)融合,無處不在的織物被給予了更高的期望以及更多的功能,也逐漸演變?yōu)槿斯ぶ悄芗夹g(shù)的新載體。電子織物作為可穿戴電子的重要分支在能量收集/儲(chǔ)存、感知、顯示/交互和信息存儲(chǔ)/處理等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。作為電子織物的基本單位,一維的功能纖維具有輕巧、超柔和多功能的特性,同時(shí)可以進(jìn)一步通過成熟的編織技術(shù)制成透氣紡織品,對(duì)未來智能織物的發(fā)展具有重要意義。在人類與外界環(huán)境的交互中,80%以上的外部信息都是通過人類的眼睛接收的,因此仿生人工視覺系統(tǒng)在人機(jī)交互、圖像識(shí)別、自動(dòng)駕駛和低功耗光神經(jīng)形態(tài)等應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大潛力。近年來,基于光電人工突觸的仿生視覺系統(tǒng)取得了快速發(fā)展,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)電信號(hào)/光信息的感知并且能夠?qū)Ω兄降男畔⑦M(jìn)行臨時(shí)記憶甚至是初步運(yùn)算。目前,構(gòu)建具有良好的柔性且兼具透氣性的可穿戴人工視覺系統(tǒng)仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。 

中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員李清文、張其沖等因此提出并驗(yàn)證了纖維狀光電人工突觸器件的概念,該器件可同時(shí)實(shí)現(xiàn)光/電信號(hào)誘導(dǎo)的多種仿生突觸功能,包括脈沖易化、長(zhǎng)/短時(shí)程可塑性以及“學(xué)習(xí)-鞏固-再學(xué)習(xí)”等行為。在光電突觸性能的基礎(chǔ)上,研究人員成功地將多個(gè)纖維狀器件編入透氣的織物,從而使得柔性織物能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)簡(jiǎn)單數(shù)字圖像信息進(jìn)行感知和存儲(chǔ)的功能。 

在碳納米管纖維上分別構(gòu)筑含有氧空位的TiO2-X納米線和MoS2納米片陣列,得到的柔性纖維電極通過纏繞工藝制備了纖維狀光電人工突觸器件。通過對(duì)器件施加電刺激,器件展現(xiàn)出類似生物突觸的行為,如興奮、抑制行為,脈沖易化,短/長(zhǎng)時(shí)程可塑性等。 

就人類的學(xué)習(xí)和記憶而言,瞬時(shí)獲取并暫時(shí)存儲(chǔ)的視覺信息會(huì)逐漸消失,除非在一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)獲取相同的信息,這些記憶通過重復(fù)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)移到長(zhǎng)期記憶(LTM)。因此,研究人員在纖維狀光電人工突觸器件上研究了光感知和突觸特性,通過應(yīng)用兩個(gè)連續(xù)的光脈沖,間隔時(shí)間為10秒,觀察到了光誘導(dǎo)的PPF特性。學(xué)習(xí)、遺忘和排練行為也通過不斷地開/關(guān)燈來模仿。將一系列突觸前脈沖應(yīng)用于纖維狀光電人工突觸會(huì)導(dǎo)致突觸后電流增加,從而促進(jìn)突觸連接強(qiáng)度(“學(xué)習(xí)”)。隨著光刺激的去除,突觸后電流逐漸降低(“遺忘”),表明存在STM過程。在“遺忘”過程后應(yīng)用相同的突觸前刺激,突觸后電流迅速達(dá)到并超越之前的記憶水平(“再學(xué)習(xí)”),表明學(xué)習(xí)和記憶能力增強(qiáng)。 

纖維狀光電人工突觸展現(xiàn)出良好的柔性以及多方向的光吸收特性。為了展示基于纖維狀光電人工突觸的紡織品的視覺感知和記憶功能,研究人員將多個(gè)器件編織入透氣的織物,構(gòu)建了利用光掩模的光電流成像紡織品,該織物能夠?qū)?jiǎn)單數(shù)字光學(xué)圖像信息感知和記憶,證明了其在開發(fā)可穿戴視覺記憶系統(tǒng)方面的潛力。 

該工作為設(shè)計(jì)和開發(fā)感知記憶功能一體化的柔性功能纖維開辟了新途徑。相關(guān)成果以Fiber-Shaped Artificial Optoelectronic Synapses for Wearable Visual-Memory Systems為題發(fā)表在Matter上。查詢進(jìn)一步信息,請(qǐng)?jiān)L問官方網(wǎng)站http://www.cas.cn/syky/202212/t20221229_4859348.shtml,以及http://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(22)00691-9。(Donna Zhang,張底剪報(bào))    (完)
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