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分享一篇來(lái)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(lái)一些靈感和啟發(fā)。

關(guān)鍵詞：視覺(jué)，觸覺(jué)，多感官系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景

正文

生物感官知覺(jué)能夠檢測(cè)外部環(huán)境信息，包括視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)。這些信息通過(guò)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(lèi)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(kāi)發(fā)出模仿人類(lèi)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(wú)法模擬人類(lèi)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(jué)和觸覺(jué)感覺(jué)的協(xié)同作用對(duì)于開(kāi)發(fā)更真實(shí)和高效的類(lèi)人機(jī)器至關(guān)重要。

本文中，作者們開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單、直接且成本低廉的方法來(lái)創(chuàng)建一種觸覺(jué)和視覺(jué)的人工多感官集成神經(jīng)系統(tǒng)，通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)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(jiàn)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(lèi)行走時(shí)視覺(jué)和觸覺(jué)傳入神經(jīng)的信息整合示意圖。視覺(jué)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(jué)信息。(b)一種基于壓電電阻器和突觸晶體管的人工視覺(jué)和觸覺(jué)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(guò)神經(jīng)系統(tǒng)整合視覺(jué)和觸覺(jué)信息以協(xié)調(diào)活動(dòng)。人類(lèi)視覺(jué)系統(tǒng)接收光學(xué)信號(hào)并處理，但視覺(jué)范圍有限，因此走路時(shí)無(wú)法通過(guò)視覺(jué)獲取腳下道路信息。此時(shí)，觸覺(jué)感知變得至關(guān)重要，腳部受體檢測(cè)觸覺(jué)信號(hào)，并通過(guò)神經(jīng)傳輸至大腦處理。在黑暗中或?qū)γと硕?，觸覺(jué)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(jué)傳感器，將光學(xué)信息轉(zhuǎn)換為電流。兩者結(jié)合模擬人類(lèi)視覺(jué)和觸覺(jué)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(jué)和觸覺(jué)單元。通過(guò)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(lèi)似人類(lèi)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(mén)極電壓偏置和(e)正門(mén)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(guò)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(lái)說(shuō)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(lái)自?xún)蓚€(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(lèi)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(lái)說(shuō)，本研究通過(guò)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(jué)和視覺(jué)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(lèi)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(guò)改變振幅、頻率和光強(qiáng)度來(lái)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(lèi)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(kāi)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。現(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(guó)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(guó)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(guó)際、國(guó)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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本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司DSR500——LBIC微納光電流成像測(cè)試系統(tǒng)，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢(xún)。

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