基于MoS2場(chǎng)效應(yīng)晶體管模擬人類的觸覺和視覺多感官行為
分享一篇來自西安電子科技大學(xué)王利明課題組的新研究成果，本文以“Simulating tactile and visual multisensory behaviour in humans based on an MoS2 field effect transistor”為題發(fā)表于期刊Nano Research，原文鏈接：doi.org/10.1007/s12274-023-5467-7。希望對(duì)您的科學(xué)研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來一些靈感和啟發(fā)。
關(guān)鍵詞：視覺，觸覺，多感官系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景
正文
生物感官知覺能夠檢測(cè)外部環(huán)境信息，包括視覺、觸覺、聽覺、味覺和嗅覺。這些信息通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中突觸連接的強(qiáng)度實(shí)時(shí)集成、記憶和處理，以調(diào)節(jié)內(nèi)部狀態(tài)，對(duì)維持人類正常行為至關(guān)重要。人工仿生電子學(xué)具有在人工智能芯片中應(yīng)用的潛力，已經(jīng)開發(fā)出模仿人類感官的系統(tǒng)，如電子眼睛、鼻子、舌頭和喉嚨。然而，這些設(shè)備無法模擬人類對(duì)真實(shí)世界外部環(huán)境的反應(yīng)，因?yàn)橥ǔ５男袨樾枰喔泄賲f(xié)同。因此，模擬行走時(shí)視覺和觸覺感覺的協(xié)同作用對(duì)于開發(fā)更真實(shí)和高效的類人機(jī)器至關(guān)重要。
本文中，作者們開發(fā)了一種簡(jiǎn)單、直接且成本低廉的方法來創(chuàng)建一種觸覺和視覺的人工多感官集成神經(jīng)系統(tǒng)，通過連接壓阻器和石墨-MoS2-石墨（Gr-MoS-Gr）場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）。該系統(tǒng)不僅單獨(dú)通過壓力和光學(xué)刺激模擬突觸可塑性行為，而且在協(xié)同效應(yīng)的刺激下表現(xiàn)出比單一感官模擬時(shí)更強(qiáng)的感知能力。通過改變壓力的幅度、壓力的頻率和光信號(hào)的強(qiáng)度，模擬了平坦或粗糙的道路、行走或跑步的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及白天或夜間的外部照明環(huán)境。另外，通過結(jié)合上述刺激條件，設(shè)計(jì)并成功模擬了一系列可區(qū)分的日常生活場(chǎng)景，展示了該設(shè)備在多感官集成仿生系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力。
這項(xiàng)工作為開發(fā)人工多感官提供了新的途徑，并為人工智能的發(fā)展提供了新的視角、見解和實(shí)際結(jié)果。盡管多感官協(xié)同功能的應(yīng)用尚未被充分探索，但本文的研究為多感官集成的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要的一步。
圖1 人工多感官神經(jīng)系統(tǒng)的仿真。(a)人類行走時(shí)視覺和觸覺傳入神經(jīng)的信息整合示意圖。視覺信息是由眼睛從外光感知到的，而腳皮膚傳感器從道路壓力反饋中獲得了觸覺信息。(b)一種基于壓電電阻器和突觸晶體管的人工視覺和觸覺整合感知示意圖。(c)多感官整合神經(jīng)形態(tài)電路的等效電路圖。
圖1(a) 描述了生物體如何通過神經(jīng)系統(tǒng)整合視覺和觸覺信息以協(xié)調(diào)活動(dòng)。人類視覺系統(tǒng)接收光學(xué)信號(hào)并處理，但視覺范圍有限，因此走路時(shí)無法通過視覺獲取腳下道路信息。此時(shí)，觸覺感知變得至關(guān)重要，腳部受體檢測(cè)觸覺信號(hào)，并通過神經(jīng)傳輸至大腦處理。在黑暗中或?qū)γと硕?，觸覺尤為重要。(b) 展示了一種人工多感官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它結(jié)合了壓阻器和二硫化鉬(MoS2)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)。壓阻器模擬皮膚傳感器，將壓力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，而MoS2通道作為視覺傳感器，將光學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電流。兩者結(jié)合模擬人類視覺和觸覺整合。(c) 展示了一個(gè)人工神經(jīng)系統(tǒng)的等效電路圖，它合成視覺和觸覺單元。通過調(diào)節(jié)光學(xué)和壓力信號(hào)的頻率和幅度，可以模擬不同的活動(dòng)場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)類似人類的感知整合。
圖2 MoS2 FET的滯后性和光學(xué)響應(yīng)特性。(a) Gr-MoS2-Gr FET的光學(xué)顯微鏡圖像。插圖：一個(gè)木塊的光學(xué)圖像和一個(gè)壓電電阻器。轉(zhuǎn)移特性在不同背柵電壓掃描范圍下的滯后性在(b)二氧化硅和(c)PMMA襯底上。插圖：(c) PMMA襯底上MoS2晶體管的能量帶示意圖。在(d)負(fù)門極電壓偏置和(e)正門極電壓偏置時(shí)的能帶圖。(f) MoS2 FET在源極-漏極偏置為+1 V時(shí)的光電流映射。激光束(λ=532 nm，P=0.25 mW)通過物鏡聚焦到大約5 μm的斑點(diǎn)大小。
光電流二維掃描對(duì)于研究光電流的起源來說十分重要，圖2(f)中的二維掃描使用卓立漢光公司DSR500系統(tǒng)完成。圖2(f)顯示了在+1V漏極電壓偏置下MoS2 FET的光電流映射，光電流信號(hào)主要來自兩個(gè)石墨電極之間的MoS2通道。這種現(xiàn)象表明，肖特基結(jié)的勢(shì)壘很小，可以有效地收集光生載流子。
圖3基于MoS2場(chǎng)效應(yīng)晶體管的光學(xué)(532nm)信號(hào)觸發(fā)的突觸特性。柵極和漏極電壓偏置分別為0和1V。(a)設(shè)備由不同功率強(qiáng)度的單個(gè)光脈沖觸發(fā)時(shí)，ΔPSCs（Δ表示變化，PSCs表示突觸后電流）的變化。(b)設(shè)備的PPF-ΔT擬合曲線。插圖顯示了由兩個(gè)連續(xù)的光尖峰觸發(fā)的PPF響應(yīng)(強(qiáng)度為23.6mW/cm²)，其ΔT為300ms。(c)MoS2 FET的EPSC隨尖峰數(shù)量的變化。(d)設(shè)備在不同的光學(xué)強(qiáng)度下以1Hz的頻率被10個(gè)脈沖觸發(fā)時(shí)的ΔPSCs。
圖4展示了人類行走時(shí)MoS2的場(chǎng)景設(shè)計(jì)和模擬。（a）頂部：FR和RR在夜晚行走的場(chǎng)景示意圖。底部：MoS2 FET的ΔPSCs。（b）頂部：FR和RR在白天行走的場(chǎng)景示意圖。底部：MoS2 FET的ΔPSCs。（c）頂部：FR和RR在白天的跑步場(chǎng)景示意圖。底部：MoS2 FET的ΔPSCs。
總結(jié)
總的來說，本研究通過連接壓電電阻器和二硫化鉬場(chǎng)效應(yīng)晶體管，構(gòu)建了一種觸覺和視覺多感官整合神經(jīng)系統(tǒng)。作者有效地展示了光學(xué)或壓力信號(hào)模擬下的突觸特性以及協(xié)同刺激，后者導(dǎo)致更明顯的感知特征，類似于生物系統(tǒng)。協(xié)同刺激下的突觸后電流是光和壓力信號(hào)單獨(dú)作用下的8.4倍和2.4倍。此外，作者們還設(shè)計(jì)和驗(yàn)證了各種可區(qū)分的日常場(chǎng)景，通過改變振幅、頻率和光強(qiáng)度來模擬道路平坦度(平坦或粗糙)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(步行或跑步)和天氣條件(白天或晚上)。
在這其中，在場(chǎng)景6（白天在粗糙路面上跑步）的ΔPSG是場(chǎng)景1（晚上在平坦路面中行走）的32倍，從而得到了一個(gè)可靠的對(duì)比。因此，基于FET器件的人工多感官集成系統(tǒng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)人工智能中類似人感的感知至關(guān)重要，例如用于替代神經(jīng)假體、植入/可穿戴智能電子和下一代機(jī)器人自主導(dǎo)航等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。
西安電子科技大學(xué)王利明老師簡(jiǎn)介
王利明，副教授，獲復(fù)旦大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位。從2012年開始長(zhǎng)期從事硅基半導(dǎo)體材料、光電子器件及新型多功能芯片應(yīng)用研究?，F(xiàn)為西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院碩士生導(dǎo)師。以第一作者或通訊作者在Advanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Research等國際期刊發(fā)表論文30余篇，主持及參與科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、國防預(yù)研項(xiàng)目等省部級(jí)以上項(xiàng)目十余項(xiàng)，授權(quán)國際、國家發(fā)明十余項(xiàng)。獲選陜西省科技協(xié)會(huì)青年人才托舉計(jì)劃。
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