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KAUST Sahika Inal/王亞洲 Nat. Commun.: 有機離電導體新進展-基于單組分n型混合導體的光電化學突觸
2025-02-16  來源:高分子科技

  來自阿卜杜拉國王科技大學(KAUST)的研究團隊近日在《自然·通訊》(Nature Communications)發(fā)表了一項重大突破,成功研制出一種基于單組分 n 型有機混合離子-電子導體(OMIEC)的光電化學突觸。這一創(chuàng)新性器件能夠在水溶液環(huán)境中工作,具備多光譜視覺信息感知與處理能力,為人工視覺系統(tǒng)、智能傳感器和神經(jīng)形態(tài)計算領(lǐng)域帶來了重要進展。


突破傳統(tǒng),打造類生物視覺系統(tǒng)


  視覺系統(tǒng)是生物感知外界信息的主要方式,而傳統(tǒng)的人工視覺設(shè)備大多依賴無機材料,缺乏柔性、生物相容性,并且需要額外的電路元件來感應(yīng)光信號。KAUST團隊成功開發(fā)了一種全新的 OMIEC 材料,該材料不僅能夠在紫外、可見光和近紅外范圍內(nèi)感知光信號,還能同時響應(yīng)電信號,與人類視覺系統(tǒng)的多模態(tài)信息處理方式類似。


創(chuàng)新材料:p(C2F-z) 賦能高效光電突


  研究人員設(shè)計并合成了一種含有氟化內(nèi)酯和雙噻唑的共聚物(p(C2F-z),它通過綠色 Aldol 聚合反應(yīng)制備而成。該材料兼具高電子遷移率(1.04 cm2V?1s?1),在低于1 V 的工作電壓下即可實現(xiàn)高效的離子摻雜,使其成為低功耗神經(jīng)形態(tài)器件的理想候選材料。



光電協(xié)同驅(qū)動,實現(xiàn)突觸可塑


  該光電化學突觸不僅能夠響應(yīng)光刺激,還能通過電信號調(diào)節(jié)突觸權(quán)重,實現(xiàn)短時記憶(STP)向長時記憶(LTP)的轉(zhuǎn)變,從而模擬大腦的學習機制。此外,該器件可在不同波長的光刺激下產(chǎn)生不同強度的突觸響應(yīng),為未來多光譜人工視覺系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。



突觸功能與貼合皮膚形態(tài)


  研究團隊能夠模仿人腦的突觸功能并顯示出出色的生物相容性。該設(shè)備可以復制短期和長期記憶過程,甚至可以使用不同波長的光模擬條件反射的聯(lián)想學習以及進行多光譜的AND 以及Or邏輯操作。此外,該設(shè)備的柔性形態(tài)使其能夠貼合人類皮膚,具有在人工視網(wǎng)膜和光療方面的應(yīng)用潛力。初步測試顯示,該材料表現(xiàn)出微不足道的細胞毒性,并在貼合皮膚時具有穩(wěn)定的光電化學特性。



高性能 8 × 8 突觸陣列,實現(xiàn)圖像識


  研究團隊進一步將該突觸器件集成至8 × 8 有機電化學晶體管(OECT)陣列用于圖像識別和存儲。在實驗中,該陣列成功識別并記憶了“KA”字母圖案,并在光刺激停止后仍能保留部分記憶信息,展現(xiàn)出自適應(yīng)感知與記憶存儲能力。此外,該器件還在事件驅(qū)動的傳感計算(reservoir computing)和全彩圖像處理任務(wù)中表現(xiàn)出色,能夠有效提取顏色信息并進行降噪處理。



仿生運動感知,實現(xiàn)智能視


  除了光刺激,該突觸器件還能響應(yīng)高頻電信號,模擬生物視網(wǎng)膜中的漸變神經(jīng)元(graded eurons,實現(xiàn)對運動信息的編碼。研究人員利用該器件成功開發(fā)了一種運動識別系統(tǒng),能夠準確識別物體的運動方向和速度,并在機器視覺任務(wù)中取得了高達92.5% 的識別準確率,遠超傳統(tǒng)圖像傳感器(22.4%)。



未來展望:神經(jīng)形態(tài)計算與生物電子學的新紀


  這一研究成果不僅為神經(jīng)形態(tài)計算(Neuromorphic computing)和人工視覺系統(tǒng)的開發(fā)提供了新的材料平臺,也展示了柔性電子、生物相容性智能設(shè)備的巨大潛力。未來,該技術(shù)有望應(yīng)用于類人視覺傳感器、智能義眼、腦機接口等前沿領(lǐng)域,推動下一代人工智能和生物電子學的發(fā)展。


  KAUST研究團隊的Sahika Inal教授王亞洲博士后研究員表示:“我們的研究突破了傳統(tǒng)光電突觸的局限性,實現(xiàn)了一種可在水溶液中穩(wěn)定運行的單組分光電化學突觸,為人工視覺系統(tǒng)和神經(jīng)形態(tài)電子學帶來了全新的可能性。”
這項研究得到了卜杜拉國王科技大學(KAUST中國中山大學南京郵電大學等機構(gòu)的支持,標志著神經(jīng)仿生電子學領(lǐng)域的又一重要進展。


  論文信息:
  論文標題:《基于單組分 n 型混合導體的光電化學突觸》(An optoelectrochemical synapse based on a single-component n-type mixed conductor
  發(fā)表期刊:《自然·通訊》(Nature Communications
  論文鏈接:
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56814-w

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