近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所曹遜研究員團隊和華中科技大學繆向水教授、楊蕊教授團隊合作，在國際上首次報道了一種高性能的柔性憶阻神經(jīng)元器件，通過模擬生物多模態(tài)感知功能，構(gòu)建了一種柔性跨模態(tài)感內(nèi)計算系統(tǒng)。該項工作采用上海硅酸鹽所最新研發(fā)的高質(zhì)量柔性VO2薄膜生長技術(shù)，使得神經(jīng)元器件具有高耐久性、高均勻性、超快響應速度和高靈活性，在此基礎(chǔ)上研發(fā)的柔性硬件處理系統(tǒng)可實現(xiàn)高達98.1%的動態(tài)物體識別準確率和實時信號反饋。相關(guān)研究成果以“Crossmodal sensory neurons based on high-performance flexible memristors for human-machine in-sensor computing system”為題發(fā)表在 Nature Communications (15, 7275 (2024)) 上。華中科技大學集成電路學院2021級博士生李志遠和上海硅酸鹽所2024級博士生李眾少為共同第一作者，上海硅酸鹽所曹遜研究員、華中科技大學繆向水教授、楊蕊教授為論文共同通訊作者。

生物多感官系統(tǒng)具有多模態(tài)融合和并行處理能力，有助于進行穩(wěn)定而節(jié)能的物體識別。生物啟發(fā)傳感內(nèi)計算系統(tǒng)已成為多模態(tài)感知和處理物理世界模擬信號的理想選擇，可緩解傳感器-處理器接口的數(shù)據(jù)傳輸瓶頸。憶阻器作為這一領(lǐng)域的新興器件之一，由于其簡單的雙端結(jié)構(gòu)和豐富的離子動力學能夠?qū)崿F(xiàn)傳感器內(nèi)計算（類比突觸和神經(jīng)元），可以比CMOS器件更有效地工作。

上海硅酸鹽所光熱調(diào)控智能材料團隊在釩氧化合物材料研究方面有著數(shù)十年的研究經(jīng)驗，可以通過物理（PLD, Sputtering）和化學（水熱）方法實現(xiàn)各種高質(zhì)量純相釩氧化合物材料的可控制備，如外延單晶/多晶膜，納米粉體等，該項工作通過引入Cr2O3緩沖層來誘導VO2膜層低溫生長，成功實現(xiàn)高性能的柔性憶阻神經(jīng)元器件。該器件憑借緩沖層的支持，不僅能夠在低溫下實現(xiàn)生長，還具備超高的循環(huán)壽命（>1012）、出色的良率（97%）、高均一性（C2C：0.72%和D2D：3.73%）、超快響應速度（<30 ns），且能夠在多次彎曲條件下表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。同時，研究團隊將柔性VO2憶阻器與柔性壓力傳感器巧妙的耦合，構(gòu)建了一種柔性跨模態(tài)感內(nèi)編碼神經(jīng)元（CSSN），實現(xiàn)了溫度和壓力信號的實時感知、編碼以及解碼。通過模擬人類的本體感知反射系統(tǒng)，構(gòu)建了一個基于柔性CSSN的柔性跨模態(tài)處理硬件系統(tǒng)。該柔性系統(tǒng)不僅可以實時感知外界壓力和溫度變化，還能生成及時的觸覺反饋信號，從而有效規(guī)避潛在的危險信號。結(jié)合儲備池計算網(wǎng)絡，構(gòu)建了一種跨模態(tài)脈沖儲備池計算系統(tǒng)，實現(xiàn)對動態(tài)物體的高精度識別（98.1%）以及實時反饋功能。該研究為構(gòu)建高效、低功耗的可穿戴人機交互系統(tǒng)提供新的思路，有望廣泛應用于智能穿戴設備、機器人技術(shù)以及其他多模態(tài)感知領(lǐng)域。

該研究工作得到國家自然科學基金、上海市自然科學基金原創(chuàng)探索等項目資助。

論文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-024-51609-x

生物啟發(fā)的跨模態(tài)智能感知計算系統(tǒng)

柔性VO2憶阻器的結(jié)構(gòu)和電學特性。

人工尖峰感覺神經(jīng)元的溫度和壓力感應與編碼特性

用于人機交互的柔性跨模態(tài)感內(nèi)處理系統(tǒng)