PNAS: 受章鱼皮肤启发，具有分布式神经形态认知能力的全橡胶智能皮肤

2022-06-05 03:06

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头足纲软体动物（如乌贼、章鱼等）的皮肤不仅是一种柔软、可经受各种复杂形变的生物屏障器官，更是一种特殊的认知器官。它可以通过一系列分布式的感知、识别、神经信息处理和驱动等生物学过程来进行视觉感知、隐身和伪装。在机器人、可穿戴设备、皮肤假体、生物电子等各种新兴的柔性电子设备中实现类似的分布式神经认知功能可以极大推进这些领域的进展。尽管近年来有一些关于受章鱼皮肤启发的具有隐身功能的电子皮肤 (例如余存江教授2014年工作PNAS, 111, 12998-13003, 2014.)，然而智能皮肤能像章鱼皮肤一样具有复杂的神经认知功能是个很有挑战的难题。迄今为止还尚未有研究报道过能够像章鱼皮肤一样可以承受双向拉伸同事具备分布式神经认知功能以性的仿身器件。

针对上述问题，美国宾夕法尼亚州立大学(Pennsylvania State University)的余存江(Cunjiang Yu)教授课题组近期以“Artificial neuromorphic cognitive skins based on distributed biaxially stretchable elastomeric synaptic transistors”为题在美国国家科学院院刊PNAS 上报道了全部基于柔性橡胶电子材料的双向可拉伸的分布式神经形态感知皮肤器件。得益于橡胶电子材料的拉伸特性，神经突触晶体管阵列可以在双向拉伸30%的条件下实现多种神经形态的认知功能，包括图像记忆、长期记忆、容错、编程及擦除功能。由此构造的神经形态视觉感知皮肤器件在双向拉伸及非均匀局部变形下均表现出稳定的神经形态图像增强特性。

图1. 受章鱼皮肤启发的弹性神经形态认知系统

软体动物的皮肤具有一定的视觉感知的能力，它可以感受到环境中的光刺激并产生神经突触信号来进行神经形态图像数据处理。受此启发，此项工作开发的神经形态感知皮肤具有图像传感、预处理和后处理的独特功能，并可以在双向拉伸及各类形变的条件下工作。

图2. 全橡胶神经突触晶体管在静态和不同机械拉伸条件的EPSC和 PPF

由全橡胶电子材料制备而成的神经突触晶体管能够表现与生物神经突触相类似的功能，包括兴奋性突触后电流（EPSC），双脉冲易化（PPF）等。随着所受应变的增加，EPSC峰值、PPF指数级及沟道迁移率均逐渐降低，这些数值的变化趋势与所受应变保持一致。

图3. 弹性神经突触晶体管阵列在不同机械拉伸的条件下的图像记忆特性

图4. 弹性神经突触晶体管阵列的长期记忆、容错以及编程、擦除功能

研究人员开发了一个 5 × 5 的弹性神经突触晶体管阵列用以研究其图像记忆特性，实验结果表明此器件在双向拉伸30%的条件下表现出图像记忆和短期记忆/长期记忆的转换特性。此外，弹性神经突触晶体管阵列还展现出包括长期记忆、容错以及编程/擦除的神经形态功能。

图5. 弹性神经形态视觉感知皮肤

为了实现类似软体动物皮肤的分布式神经感知功能，研究人员通过集成弹性神经突触晶体管以及弹性光电传感器构建了一个5×4阵列的弹性神经形态视觉感知皮肤器件。该器件在双向拉伸及非均匀局部变形下均表现出神经形态图像增强特性。

这项工作首次提出并报道了一种全部由橡胶材料构建的，具备的分布式神经形态视觉感知智能皮肤，为将来实现大规模柔性神经形态器件的应用提供了新的技术思路。此工作提出的在柔性电子器件中实现神经形态感知功能的方法可以应用与许多其他领域，例如可穿戴神经形态计算、人造器官、神经形态机器人和皮肤假体等等。该文章的通讯作者为宾夕法尼亚州立大学的余存江教授以及韩国庆尚大学Hae-Jin Kim教授，文章的第一作者是余教授课题组的博士后Hyunseok Shim,其他作者包括余教授课题组的Seonmin Jang, Anish Thukral，阚斌 (现南开大学特聘研究员), 以及Shubham Patel, 韩国庆尚大学Hae-Jin Kim课题组的Seongsik Jeong, Hyeseon Jo，兰州大学的兰伟教授，清华伯克利深圳研究院的韦国丹教授。

论文信息：

Hyunseok Shim, Seonmin Jang, Anish Thukral, Seongsik Jeong, Jo Hyeseon, Bin Kan, Shubham Patel, Guodan Wei, Wei Lan, Hae-Jin Kim, and Cunjiang Yu, Artificial neuromorphic cognitive skins based on distributed biaxially stretchable elastomeric synaptic transistors, PNAS, 119 (23) e2204852119, 2022.

https://doi.org/10.1073/pnas.2204852119

余存江教授简介:

余老师现为美国宾夕法尼亚州立大学工程科学系,生物医学工程系，以及材料科学与工程系，Dorothy Quiggle Career Development 副教授。获得Society of Engineering Science Young Investigator Medal, NIH NIBIB Trailblazer Award, ONR Young Investigator Award, NSF CAREER Award, MIT Technology Review Chinese Top Innovators (Inaugural), SME Outstanding Young Manufacturing Engineer Award, AVS Young Investigator Award等等。课题组目前主要做flexible and stretchable electronics, bioelectronics方面的研究。课题组网页: https://yuresearch.github.io/

课题组招生：博士生，博后，访问学者

余老师课题组的研究项目具有很强的学科交叉性，具有以下背景的优先考虑。有意的同学请邮件联系: [email protected]

1) Background in Electronics, Materials, Polymer, Chemistry, etc.

a)Organic electronics; OFET; OPV; photodetector; etc.

b)Nanoelectronics; semiconductor materials and devices; microelectronics; optoelectronics

c)Flexible, stretchable electronics; bio-electronics; biosensors

d)Nano materials synthesis characterization, electrochemistry, photocatalysis

2) Background in Biomedical Engineering, Medicine, or Biology

a)Tissue engineering; bioprinting; stem cell; organoid

b)Electrophysiology; neuroengineering, neural interfaces, brain machine interfaces

3) Background in Mechanical Engineering, Solid Mechanics, Polymers, Physics

a)Soft robotics, soft actuators, robotics, sensors and intelligent devices