Small Science:面向高逼真突触仿生的生物材料忆阻器

忆阻器电学特性与人脑神经突触相似,具有运行功耗低、读写速度快、集成密度高等优点,被视为发展类脑神经形态计算,推进信息技术发展的变革性技术。近年来,研究人员发展了金属氧化物、二维材料、有机材料等在内的多种忆阻材料并构筑器件,实现了生物突触行为的模拟。然而,目前突触器件在运行机理、工作模式、响应阈值等方面与真实的生物突触仍存在很大差距。寻找合适的材料并构筑器件,实现从生物突触行为的简单模仿转变为逼真实现,打破人工突触与生物突触之间的物理界限,将为高效类脑计算、人机交互、感存算一体化等领域带来革命性突破。近年来,基于生物材料的忆阻器在运行机理、工作模式、响应阈值等方面展示出与生物突触更为接近的特质,为实现高逼真突触仿生提供了有效方案。此外,生物材料具有生物相容、无害降解、超柔性等优点,在新一代“植入电子”、“绿色电子”、“可穿戴电子”等新兴电子领域也展示出巨大的发展潜力。

近日,东北师范大学刘益春院士、徐海阳教授团队在Small Science上系统综述了生物基忆阻器在材料、机理、性能等方面的研究进展,着重对其独特的工作机制和逼真的突触仿生功能进行了重点阐述,并对本领域未来发展提出了建议和讨论。

文章首先介绍了生物材料在电子器件领域的应用前景,全面回顾了生物材料的阻变机制和性能。特别介绍了生物忆阻器中独特的价态调制效应、离子限域效应、电容耦合效应。文章随后重点介绍了三种具有高逼真突触仿生功能的生物膜、多肽、蛋白质纳米线忆阻器:①生物膜:附着在生物膜表面的多肽分子能够在电压驱动下在生物膜中嵌入,进而在生物膜中形成导电的离子传输通道,诱导器件电阻转变。生物膜忆阻器在器件结构、工作机理、电学特性、运行能耗方面与生物突触高度相似,为打造具有完整突触功能的智能硬件提供了材料基础;②多肽:生物突触中,信号的传递往往涉及到多种离子传输过程。多肽材料中存在酚羟基团,基团电离失去质子后产生的自由基能够辅助外源活性金属离子迁移。基于质子调制的金属阳离子迁移行为,器件展示出电场驱动和湿度驱动两种运行模式,更接近生物突触的工作方式;③蛋白质纳米线:基于忆阻器构筑生物-电子融合系统是本领域发展方向之一。然而,忆阻器运行电压幅值一般在0.5 V以上,而生物信号幅值一般在100 mV以下。二者电压失配会导致生物-电子融合系统高能耗以及电路复杂问题。细菌蛋白具有催化金属还原的能力,能够极大降低器件运行电压(60 mV),进而实现对生理信号的直接响应,为构筑基于忆阻器的神经形态界面提供了技术参考。此外,基于生物材料的忆阻器还具有超柔性特点,可广泛应用于可穿戴电子等领域。最后,文章对生物基忆阻器的发展前景进行了展望,提出了生物基忆阻器未来发展中在器件集成工艺、长时服役可靠性、湿度敏感等方面面临的挑战,结合现有工艺,深入讨论了可能的解决方案。该综述文章旨在总结生物材料在忆阻器神经突触仿生中的研究现状,为丰富忆阻材料体系和实现更逼真的突触行为模拟提供借鉴和参考。

论文信息:

Memristors with Biomaterials for Bio-realistic Neuromorphic Applications

Jiaqi Xu, Xiaoning Zhao*, Xiaoli Zhao, Zhongqiang Wang, Qingxin Tang, Haiyang Xu*, Yichun Liu

Small Science

DOI: 10.1002/smsc.202200028

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smsc.202200028