神經形態通過模擬人腦運行方式進行高效率運算

　　引言

　　神經形態設備（neuromorphic device）可以通過模擬人腦神經元的運行方式進行高效率運算。神經形態計算（neuromorphic computing）因此也可以用來對環境中的各種復雜刺激進行有效分析，可以在生物-電子接口中為生物傳感提供智能響應。但是傳統的神經形態計算需要使用比生物體高得多的電壓，如果直接用來構建的神經形態接口（Neuromorphic Interfaces）需要特定傳感器才能有能量信號匹配，所以限制了感應的多功能性；或者需要額外的附加電能來驅動，降低了神經形態接口的可持續性。

　　成果簡介

　　近日，麻省大學（UMass Amherst）的Jun Yao教授和Derek Lovley教授團隊在Nature Communications上發表了題為“Self-sustained Green Neuromorphic Interfaces”的文章。文章的第一作者為Tianda Fu。該文章提出一種可以自供電，多傳感器響應的神經形態接口。實現這種接口的關鍵是將穩定的采能器件與超低功耗信息處理系統相結合，在不需要外部供能的前提下實時對外界信息進行傳感，計算與決策。為了構建這種神經形態接口，團隊將基于蛋白質納米線的超低電壓憶阻器（Nat. Commun. 11, 1861 (2020)）、能量收集器件（Nature 578, 550–554 (2020)）與高靈敏壓力傳感器（Nat. Commun. 9, 5161 (2018)）相結合，并充分利用了各個部分的優勢：1）憶阻器可以在超低工作電壓（<100mV）進行工作，實現了與生物動作電位匹配。從本質上講，這使得神經形態接口更加基礎地模仿了生物體的低功耗運行模式：動作電位匹配的信息處理，使得各種傳感信號可以直接驅動計算2）采量器件可以從環境濕度中實時采集能量，達到了真正意義上的供能獨立。除此以外，作為一種潛在的多功能“綠色”生物材料，蛋白質納米線的使用可以有效減少傳統無機材料所帶來的“電子浪費”。因此，這種基于“綠色”生物材料的電子器件將更加適合應用在人體或其他不同的環境。

　　圖文簡介

　　圖1，柔性蛋白質納米線器件

　　a. 超低電壓（<100mV）柔性憶阻器件示意圖

　　b. 憶阻器在不同限流下的I-V掃描曲線

　　c. 憶阻器在不同彎折測試下的yield、forming電壓與threshold電壓

　　d. 垂直結構的柔性能量收集（傳感）裝置

　　e. 垂直結構能量收集裝置在空氣中的輸出電壓和電流（直流能量收集）

　　f. 垂直結構能量收集裝置在不同彎折測試下的輸出電壓

　　g. 平面結構的柔性能量收集（傳感）裝置

　　h. 平面結構能量收集裝置在空氣中對呼吸的電壓和電流響應（交流能量收集）

　　i. 平面結構能量收集裝置不同彎折測試下的輸出電壓

　　圖2，多功能傳感的神經形態接口

　　a. 垂直結構能量收集裝置與分壓電阻串聯后，在不同濕度下的電壓輸出

　　b. 能量收集裝置、憶阻器構成的人工神經元模型

　　c. 當設備放置到出汗的皮膚上時，對汗液濕度信號做出響應

　　d. 能量收集裝置、憶阻器、壓力傳感器構成的人工觸覺神經模型

　　e. 能量收集裝置與壓力傳感器將壓力信號轉化為電壓信號

　　f. 當設備感受到壓力時，對壓力信號做出響應

　　e. 能量收集裝置、憶阻器、光學傳感器構成的人工視覺神經模型

　　h. 能量收集裝置與光學傳感器將UV光學信號轉化為電壓信號

　　i. 當設備感受到UV光學信號時，對UV光學信號做出響應

　　圖3，柔性神經形態接口構成的智能系統

　　a. 神經形態接口的示意圖、電路圖和實物圖

　　b. 仿真：當呼吸頻率較低時（3Hz），系統不對呼吸進行響應

　　c. 仿真：當呼吸頻率較高時（1Hz），系統對呼吸進行響應

　　d. 實測：當呼吸頻率較低時（3Hz），系統不對呼吸進行響應

　　e. 實測：當呼吸頻率較高時（1Hz），系統對呼吸進行響應并進行預警

　　圖4，神經形態接口的個性化設置

　　a. 三次對憶阻器滴加（設置）和移除（重置）蛋白質納米線及相應的I-V掃描曲線

　　b. 對三批重置的憶阻器threshold電壓進行統計

　　c. 神經形態接口個性化設置示意圖

　　d. 通過串聯不同個數的憶阻器來調整系統的開啟電壓