南洋理工陈晓东、山东大学刘亚庆ACS Nano：光调制人工神经通路

高等动物与环境之间的信息交互是其生存与进化的必要能力。生物体中的信息传递与处理依赖于高度进化的神经系统，可以针对复杂多变的环境信息产生感知、学习、记忆、反馈等多种智能行为。由此应运而生的仿生智能应用已成为未来电子科技发展的重要方向。目前仿生智能在电子技术中的实现途径往往以软件与算法为主，而经历了自然选择的生物体却是依靠功能化的细胞乃至器官之间的串联协调。因此，以生物体中信息处理的原理为基础，从器件结构的设计到功能单元及其串联逻辑的模拟成为开发仿生智能器件的一种重要研究思路。

研究团队使用金属有机框架ZIF-8纳米颗粒薄膜制备忆阻器，通过调整膜厚与表面粗糙度来模拟神经突触结构，可以针对电子脉冲信号产生累积式的阻变现象，从而实现各种突触功能的模拟，包括双脉冲易化、脉冲频率以及脉冲数目依赖突触可塑性、以及短期记忆到长期记忆的转变等（图2）。继而通过与基于钙钛矿材料的光学传感器集成，可以将光学信号转换成电学信号来控制忆阻器的阻变行为，实现以光刺激为媒介的突触功能模拟。

图2. 基于ZIF-8忆阻器的突触功能模拟以及逐步学习过程的实现。

图3. 光调制人工神经通路实现光刺激控制机械臂运动，实现动作学习以及记忆功能。

研究团队通过解构生物体中神经通路的功能单元，类比设计了具备信息传感、处理与反馈功能的人工神经通路。在不同功能的集成下，以脉冲光调制电压输入的策略实现了突触功能的模拟，最终产生具有学习与记忆现象的反馈动作。该工作实现了光调制的智能反馈系统，可以为自发反馈器件以及仿生智能的设计提供创新性的思路。

相关论文发表在ACS Nano上，南洋理工大学博士后何克为文章的第一作者， 刘亚庆教授与陈晓东教授为共同通讯作者。