北京纳米能源所张弛研究员等：仿生物神经感知行为的柔性摩擦电人工突触

A Flexible Tribotronic Artificial Synapse with Bioinspired Neurosensory Behavior

Jianhua Zeng, Junqing Zhao, Tianzhao Bu, Guoxu Liu, Youchao Qi, Han Zhou, Sicheng Dong and Chi Zhang*

Nano-Micro Letters (2023)15: 18

https://doi.org/10.1007/s40820-022-00989-0

1. 提出了一种具有仿生物神经感知行为的 柔性摩擦电人工突触(TAS) ，并建立了一种 主动式的交互机制 。

2. 通过改变机械输入模式TAS显示出 可调谐的突触行为 ，如兴奋性突触后电流、成对脉冲易化以及从感觉记忆到短期记忆和长期记忆的分级记忆过程 。

突触器件作为人工传入神经系统的关键部件，能够模拟生物的突触行为，从而引起研究者们的广泛关注。 中国科学院北京纳米能源与系统研究所张弛课题组 开发了一种具有仿生物神经感知行为的柔性摩擦电人工突触(TAS)。TAS通过外部刺激成功地展示了一系列突触行为，如兴奋性突触后电流、成对脉冲易化以及从感觉记忆到短期记忆和长期记忆的分级记忆过程。此外，在弯曲半径为20 mm的应变条件下，突触行为保持稳定，在1000次弯曲循环后，TAS仍然表现出良好的耐久性。最后，通过将力和振动分别作为食物和铃声刺激，成功地模拟了巴甫洛夫条件反射。这项工作展示了一种仿生柔性人工突触，将有助于促进人工传入神经系统的发展，这对未来假肢、机器人和仿生学的实际应用具有重要意义。

I I TAS的工作机理

TAS的工作机理是由接触起电产生的摩擦电势与基于双电层的OTFT的耦合效应，如图2所示。图2a显示了TAS的工作原理示意图，其对应的等效电路图与能带图如图2b、2c所示。用外部接触带电产生的摩擦电势代替OTFT的栅极电压，不仅可以降低器件的功耗，而且可以建立外界环境与器件之间的主动交互机制。

图2. TAS的工作机理。(a) TAS的工作原理示意图；(b) TAS的等效电路图；(c) TAS的能带图。

II I TAS的基本突触特性

图3. TAS的基本突触特性。(a) 生物传入神经元与TAS的类比示意图；(b) TAS在单次机械刺激作用下的EPSC响应变化；(c) TAS在不同持续时间的单次机械刺激连续作用下的EPSC响应变化；(d) TAS在不同持续时间的单次机械刺激作用下的EPSC响应变化对比；(e) TAS在不同持续时间的单次机械刺激作用下的EPSC峰值绝对值和衰减时间；(f) TAS在不同弯曲半径的拉伸应变状态下，持续时间为0.1 s的单次机械刺激作用时的EPSC峰值变化；(g) TAS在不同弯曲半径的压缩应变状态下，持续时间为0.1 s的单次机械刺激作用时的EPSC峰值变化。

图4. TAS的典型突触可塑性。(a) TAS在不同间隔时间的成对机械刺激作用下的EPSC响应变化，其中插图显示的是TAS在间隔时间为0.125 s的成对机械刺激作用下的EPSC响应变化；(b) TAS的PPF指数；(c) 由TENG作为输入源的多级记忆模型；(d) TAS在连续不同次数机械刺激作用下的EPSC响应变化对比；(e) TAS在连续不同次数机械刺激作用下的EPSC增益；(f) TAS在不同弯曲半径的拉伸应变状态下，持续时间为0.1 s的5次机械刺激作用时的EPSC峰值变化；(g) TAS在不同弯曲半径的压缩应变状态下，持续时间为0.1 s的5次机械刺激作用时的EPSC峰值变化。

V TAS的稳定性与耐久性

为了评估TAS的稳定性和耐久性，进一步研究了TAS在经过弯曲半径为20 mm的拉伸和压缩应变循环后的输出特性，如图5所示。这些结果表明，在经过连续弯曲的拉伸和压缩应变循环后，TAS的输出特性没有明显的退化。

图5. TAS的稳定性与耐久性。(a) 经过不同次弯曲半径为20 mm的拉伸应变循环后，TAS在不同持续时间的单次机械刺激作用下的EPSC峰值变化；(b) 经过不同次弯曲半径为20 mm的压缩应变循环后，TAS在不同持续时间的单次机械刺激作用下的EPSC峰值变化；(c) 经过不同次弯曲半径为20 mm的拉伸应变循环后，TAS在成对机械刺激作用下的PPF指数；(d) 经过不同次弯曲半径为20 mm的压缩应变循环后，TAS在成对机械刺激作用下的PPF指数；(e) 经过不同次弯曲半径为20 mm的拉伸应变循环后，TAS在不同次数机械刺激作用下的EPSC峰值变化；(f) 经过不同次弯曲半径为20 mm的压缩应变循环后，TAS在不同次数机械刺激作用下的EPSC峰值变化 。

V I TAS的巴甫洛夫条件反射实验

最后，通过改进TAS的输入结构，进一步研究了TAS的巴甫洛夫条件反射，其结构示意图如图6a所示。因为离子凝胶能够通过多个电极进行控制，故TAS的输出特性可以由两个不同TENG产生的摩擦电势进行调控，其对应的等效电路图如图6b所示。在这个模拟实验中，由振动驱动的TENG-1被视为是“铃声”输入源，而由力驱动的TENG-2则被视为是“食物”输入源。图6(c-e) 分别显示了训练次数为20、50和100次时，TAS的EPSC响应变化。可以看出随着训练次数增加维持“垂涎”反应的时间越长。实验结果表明，该TAS能够有效地模拟条件反射，这将对今后仿生学中的运动反馈研究提供有效帮助。

图6. TAS的巴甫洛夫条件反射实验。(a) 双TENG模式下TAS的结构示意图；(b) 双TENG模式下TAS的等效电路图和巴甫洛夫条件作用类比；(c)-(e) 训练次数分别为20、50和100次时，TAS的EPSC响应变化 。