神经形态通过模拟人脑运行方式进行高效率运算

　　引言

　　神经形态设备（neuromorphic device）可以通过模拟人脑神经元的运行方式进行高效率运算。神经形态计算（neuromorphic computing）因此也可以用来对环境中的各种复杂刺激进行有效分析，可以在生物-电子接口中为生物传感提供智能响应。但是传统的神经形态计算需要使用比生物体高得多的电压，如果直接用来构建的神经形态接口（Neuromorphic Interfaces）需要特定传感器才能有能量信号匹配，所以限制了感应的多功能性；或者需要额外的附加电能来驱动，降低了神经形态接口的可持续性。

　　成果简介

　　近日，麻省大学（UMass Amherst）的Jun Yao教授和Derek Lovley教授团队在Nature Communications上发表了题为“Self-sustained Green Neuromorphic Interfaces”的文章。文章的第一作者为Tianda Fu。该文章提出一种可以自供电，多传感器响应的神经形态接口。实现这种接口的关键是将稳定的采能器件与超低功耗信息处理系统相结合，在不需要外部供能的前提下实时对外界信息进行传感，计算与决策。为了构建这种神经形态接口，团队将基于蛋白质纳米线的超低电压忆阻器（Nat. Commun. 11, 1861 (2020)）、能量收集器件（Nature 578, 550–554 (2020)）与高灵敏压力传感器（Nat. Commun. 9, 5161 (2018)）相结合，并充分利用了各个部分的优势：1）忆阻器可以在超低工作电压（<100mV）进行工作，实现了与生物动作电位匹配。从本质上讲，这使得神经形态接口更加基础地模仿了生物体的低功耗运行模式：动作电位匹配的信息处理，使得各种传感信号可以直接驱动计算2）采量器件可以从环境湿度中实时采集能量，达到了真正意义上的供能独立。除此以外，作为一种潜在的多功能“绿色”生物材料，蛋白质纳米线的使用可以有效减少传统无机材料所带来的“电子浪费”。因此，这种基于“绿色”生物材料的电子器件将更加适合应用在人体或其他不同的环境。

　　图文简介

　　图1，柔性蛋白质纳米线器件

　　a. 超低电压（<100mV）柔性忆阻器件示意图

　　b. 忆阻器在不同限流下的I-V扫描曲线

　　c. 忆阻器在不同弯折测试下的yield、forming电压与threshold电压

　　d. 垂直结构的柔性能量收集（传感）装置

　　e. 垂直结构能量收集装置在空气中的输出电压和电流（直流能量收集）

　　f. 垂直结构能量收集装置在不同弯折测试下的输出电压

　　g. 平面结构的柔性能量收集（传感）装置

　　h. 平面结构能量收集装置在空气中对呼吸的电压和电流响应（交流能量收集）

　　i. 平面结构能量收集装置不同弯折测试下的输出电压

　　图2，多功能传感的神经形态接口

　　a. 垂直结构能量收集装置与分压电阻串联后，在不同湿度下的电压输出

　　b. 能量收集装置、忆阻器构成的人工神经元模型

　　c. 当设备放置到出汗的皮肤上时，对汗液湿度信号做出响应

　　d. 能量收集装置、忆阻器、压力传感器构成的人工触觉神经模型

　　e. 能量收集装置与压力传感器将压力信号转化为电压信号

　　f. 当设备感受到压力时，对压力信号做出响应

　　e. 能量收集装置、忆阻器、光学传感器构成的人工视觉神经模型

　　h. 能量收集装置与光学传感器将UV光学信号转化为电压信号

　　i. 当设备感受到UV光学信号时，对UV光学信号做出响应

　　图3，柔性神经形态接口构成的智能系统

　　a. 神经形态接口的示意图、电路图和实物图

　　b. 仿真：当呼吸频率较低时（3Hz），系统不对呼吸进行响应

　　c. 仿真：当呼吸频率较高时（1Hz），系统对呼吸进行响应

　　d. 实测：当呼吸频率较低时（3Hz），系统不对呼吸进行响应

　　e. 实测：当呼吸频率较高时（1Hz），系统对呼吸进行响应并进行预警

　　图4，神经形态接口的个性化设置

　　a. 三次对忆阻器滴加（设置）和移除（重置）蛋白质纳米线及相应的I-V扫描曲线

　　b. 对三批重置的忆阻器threshold电压进行统计

　　c. 神经形态接口个性化设置示意图

　　d. 通过串联不同个数的忆阻器来调整系统的开启电压