神經突觸是神經元之間傳遞信息的關鍵部位,其獨特的生物學結構可使其在生物體內傳輸電或化學信號,從而實現感官和思維的編碼。在生物體內,神經突觸通常十分柔軟并且能夠隨著身體運動適應各種形式的機械形變。例如,蚯蚓的神經可延展到自身長度的50%到100%,同時仍能夠響應來自周圍環境的不同刺激。


近年來,工程科學的快速發展制成了各種軟體系統,比如只能皮膚,軟體機器人等。然而如何讓電子皮膚有類人皮膚的感知到大腦認識的功能,以及如何讓機器人像人和動物一樣判斷,思考?這些帶有了神經功能的軟體系統還沒有實現。


新技術:研究人員實現了自適應軟體機器人的自主“思考”與移動


最近,美國休斯頓大學(University of Houston)的余存江 (Cunjiang Yu) 教授課題組的研究以“Stretchable elastic synaptic transistors for neurologically integrated soft engineering systems” 為題發表在Science 子刊Science Advance上。該文章首次報道了可拉伸彈性神經突觸晶體管。該晶體管全部基于橡膠電子材料而成,且在50%的拉伸的條件下,突觸晶體管本身仍具有完整的生物神經突觸特性。同時,受軟體動物的啟發,通過可拉伸彈性突觸晶體管與軟系統的集成,研究人員構建了可變形的觸覺感知皮膚和自適應軟體神經機器人。同時,通過對突觸記憶信號的編碼,研究人員實現了自適應軟體機器人的自主“思考”與移動。


新技術:研究人員實現了自適應軟體機器人的自主“思考”與移動


圖1:可拉伸彈性神經突觸晶體管


該可拉伸彈性神經突觸晶體管由全橡膠電子材料組成,其中包括橡膠導體 (AuNPs-AgNWs/PDMS), 橡膠半導體(P3HT-NFs/PDMS),以及彈性柵隔離層(離子凝膠)。在靜態以及高度拉伸(50%機械拉伸)狀態下,可拉伸彈性神經突觸晶體管展現與生物神經突觸相似的功能,包括興奮性突觸后電流(EPSC)與雙脈沖易化(PPF)。


新技術:研究人員實現了自適應軟體機器人的自主“思考”與移動


圖2:可拉伸彈性神經突觸晶體管在靜態和不同機械拉伸的條件的濾波以及記憶特性


同時,研究人員研究了可拉伸彈性神經突觸晶體管在不同條件下的濾波以及記憶特性。通過不同頻率與次數的脈沖刺激,該可拉伸彈性神經突觸晶體管展現出了與生物神經系統相似的特性,包括濾波特性,短時記憶(STM)和長時記憶(LTM)。在拉伸狀態下,器件本身保持了完整的生物神經突觸特性。


新技術:研究人員實現了自適應軟體機器人的自主“思考”與移動


圖3:可形變的神經系統集成的觸覺感知皮膚


同時,研究人員制備了集成了神經突觸晶體管的全橡膠觸覺感知皮膚。該全橡膠觸覺感知皮膚由圖形化的柵電極,壓敏橡膠以及全橡膠突觸晶體管陣列組成,且表面由PDMS封裝。感受器感知外界機械刺激并產生突觸前脈沖,進而激發神經突觸晶體管產生突觸后電位。檢測到的不同位置的突觸后電位可以用于表征陣列分布,從而使其具備“觸覺感知”。這種感知皮膚可以作為人造假皮膚跟人體進行直接通信。


研究人員進一步創建了一種神經集成的自適應軟體機器人。該機器人由摩擦電納米發電機和可拉伸彈性神經突觸晶體管構成的柔性功能性皮膚以及軟體氣動機器人組成。在敲擊條件下,摩擦電納米發電機產生電脈沖,進而激發神經突觸晶體管產生突觸后電位。 通過對不同敲擊次數導致的EPSC變化進行編碼,神經機器人實現了程序化的不同程度的的彎曲以及自適應地運動。值得一提的是,該機器人在感受突觸后電位的變化后,可以實現自行“思考”。


這項工作驗證了神經集成的軟系統的可行性,為未來實現大規模可拉伸彈性神經突觸晶體管的應用(如神經形態計算,神經修復術等)提供了新的技術思路,向未來研究復雜復合功能的工程系統邁出了第一步。作者同時指出目前構建的神經集成的軟系統的功能還比較簡單,其復雜程度遠遠低于生物學神經系統。未來需要進一步探索和開發具有新結構和多功能的神經集成的軟系統。


文章的第一作者是休斯頓大學余教授課題 的博士生Hyunsoek Shim,其他作者包括余教授課題組的Kyoseung Sim,Faheem Ershad,楊品亦,Anish Thukral,饒州鋁等等,以及上海交通大學的谷國迎教授,南京郵電大學的高麗教授,南京大學的王欣然教授,和香港理工大學的柴楊教授。文章的通訊作者為休斯頓大學的余存江教授。


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