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分享一篇來自西安電子科技大學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。希望對您的科學研究或工業(yè)生產帶來一些靈感和啟發(fā)。
關鍵詞：視覺，觸覺，多感官系統(tǒng)，運動場景
正文
生物感官知覺能夠檢測外部環(huán)境信息，包括視覺、觸覺、聽覺、味覺和嗅覺。這些信息通過神經網絡中突觸連接的強度實時集成、記憶和處理，以調節(jié)內部狀態(tài)，對維持人類正常行為至關重要。人工仿生電子學具有在人工智能芯片中應用的潛力，已經開發(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，這些設備無法模擬人類對真實世界外部環(huán)境的反應，因為通常的行為需要多感官協(xié)同。因此，模擬行走時視覺和觸覺感覺的協(xié)同作用對于開發(fā)更真實和高效的類人機器至關重要。
本文中，作者們開發(fā)了一種簡單、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系統(tǒng)，通過連接壓阻器和石墨-MoS2-石墨（Gr-MoS-Gr）場效應晶體管（FET）。該系統(tǒng)不僅單獨通過壓力和光學刺激模擬突觸可塑性行為，而且在協(xié)同效應的刺激下表現出比單一感官模擬時更強的感知能力。通過改變壓力的幅度、壓力的頻率和光信號的強度，模擬了平坦或粗糙的道路、行走或跑步的運動狀態(tài)以及白天或夜間的外部照明環(huán)境。另外，通過結合上述刺激條件，設計并成功模擬了一系列可區(qū)分的日常生活場景，展示了該設備在多感官集成仿生系統(tǒng)中的應用潛力。
這項工作為開發(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、見解和實際結果。盡管多感官協(xié)同功能的應用尚未被充分探索，但本文的研究為多感官集成的進一步發(fā)展提供了重要的一步。
圖1 人工多感官神經系統(tǒng)的仿真。(a)人類行走時視覺和觸覺傳入神經的信息整合示意圖。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系統(tǒng)整合視覺和觸覺信息以協(xié)調活動。人類視覺系統(tǒng)接收光學信號并處理，但視覺范圍有限，因此走路時無法通過視覺獲取腳下道路信息。此時，觸覺感知變得至關重要，腳部受體檢測觸覺信號，并通過神經傳輸至大腦處理。在黑暗中或對盲人而言，觸覺尤為重要。(b) 展示了一種人工多感官神經網絡系統(tǒng)，它結合了壓阻器和二硫化鉬(MoS2)場效應晶體管(FET)。壓阻器模擬皮膚傳感器，將壓力轉換為電信號，而MoS2通道作為視覺傳感器，將光學信息轉換為電流。兩者結合模擬人類視覺和觸覺整合。(c) 展示了一個人工神經系統(tǒng)的等效電路圖，它合成視覺和觸覺單元。通過調節(jié)光學和壓力信號的頻率和幅度，可以模擬不同的活動場景，實現類似人類的感知整合。
圖2 MoS2 FET的滯后性和光學響應特性。(a) Gr-MoS2-Gr FET的光學顯微鏡圖像。插圖：一個木塊的光學圖像和一個壓電電阻器。轉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)負門極電壓偏置和(e)正門極電壓偏置時的能帶圖。(f) MoS2 FET在源極-漏極偏置為+1 V時的光電流映射。激光束(λ=532 nm，P=0.25 mW)通過物鏡聚焦到大約5 μm的斑點大小。
光電流二維掃描對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，光電流信號主要來自兩個石墨電極之間的MoS2通道。這種現象表明，肖特基結的勢壘很小，可以有效地收集光生載流子。
圖3基于MoS2場效應晶體管的光學(532nm)信號觸發(fā)的突觸特性。柵極和漏極電壓偏置分別為0和1V。(a)設備由不同功率強度的單個光脈沖觸發(fā)時，ΔPSCs（Δ表示變化，PSCs表示突觸后電流）的變化。(b)設備的PPF-ΔT擬合曲線。插圖顯示了由兩個連續(xù)的光尖峰觸發(fā)的PPF響應(強度為23.6mW/cm²)，其ΔT為300ms。(c)MoS2 FET的EPSC隨尖峰數量的變化。(d)設備在不同的光學強度下以1Hz的頻率被10個脈沖觸發(fā)時的ΔPSCs。
圖4展示了人類行走時MoS2的場景設計和模擬。（a）頂部：FR和RR在夜晚行走的場景示意圖。底部：MoS2 FET的ΔPSCs。（b）頂部：FR和RR在白天行走的場景示意圖。底部：MoS2 FET的ΔPSCs。（c）頂部：FR和RR在白天的跑步場景示意圖。底部：MoS2 FET的ΔPSCs。
總結
總的來說，本研究通過連接壓電電阻器和二硫化鉬場效應晶體管，構建了一種觸覺和視覺多感官整合神經系統(tǒng)。作者有效地展示了光學或壓力信號模擬下的突觸特性以及協(xié)同刺激，后者導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單獨作用下的8.4倍和2.4倍。此外，作者們還設計和驗證了各種可區(qū)分的日常場景，通過改變振幅、頻率和光強度來模擬道路平坦度(平坦或粗糙)、運動狀態(tài)(步行或跑步)和天氣條件(白天或晚上)。
在這其中，在場景6（白天在粗糙路面上跑步）的ΔPSG是場景1（晚上在平坦路面中行走）的32倍，從而得到了一個可靠的對比。因此，基于FET器件的人工多感官集成系統(tǒng)對于實現人工智能中類似人感的感知至關重要，例如用于替代神經假體、植入/可穿戴智能電子和下一代機器人自主導航等神經網絡應用。
西安電子科技大學王利明老師簡介
王利明，副教授，獲復旦大學理學博士學位。從2012年開始長期從事硅基半導體材料、光電子器件及新型多功能芯片應用研究?，F為西安電子科技大學微電子學院碩士生導師。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研發(fā)計劃、自然基金重點項目、國防預研項目等省部級以上項目十余項，授權國際、國家發(fā)明十余項。獲選陜西省科技協(xié)會青年人才托舉計劃。
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