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高等動(dòng)物與環(huán)境之間的信息交互是其生存與進(jìn)化的必要能力。生物體中的信息傳遞與處理依賴于高度進(jìn)化的神經(jīng)系統(tǒng)，可以針對(duì)復(fù)雜多變的環(huán)境信息產(chǎn)生感知、學(xué)習(xí)、記憶、反饋等多種智能行為。由此應(yīng)運(yùn)而生的仿生智能應(yīng)用已成為未來(lái)電子科技發(fā)展的重要方向。目前仿生智能在電子技術(shù)中的實(shí)現(xiàn)途徑往往以軟件與算法為主，而經(jīng)歷了自然選擇的生物體卻是依靠功能化的細(xì)胞乃至器官之間的串聯(lián)協(xié)調(diào)。因此，以生物體中信息處理的原理為基礎(chǔ)，從器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)到功能單元及其串聯(lián)邏輯的模擬成為開(kāi)發(fā)仿生智能器件的一種重要研究思路。

研究團(tuán)隊(duì)使用金屬有機(jī)框架ZIF-8納米顆粒薄膜制備憶阻器，通過(guò)調(diào)整膜厚與表面粗糙度來(lái)模擬神經(jīng)突觸結(jié)構(gòu)，可以針對(duì)電子脈沖信號(hào)產(chǎn)生累積式的阻變現(xiàn)象，從而實(shí)現(xiàn)各種突觸功能的模擬，包括雙脈沖易化、脈沖頻率以及脈沖數(shù)目依賴突觸可塑性、以及短期記憶到長(zhǎng)期記憶的轉(zhuǎn)變等（圖2）。繼而通過(guò)與基于鈣鈦礦材料的光學(xué)傳感器集成，可以將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號(hào)來(lái)控制憶阻器的阻變行為，實(shí)現(xiàn)以光刺激為媒介的突觸功能模擬。

圖2. 基于ZIF-8憶阻器的突觸功能模擬以及逐步學(xué)習(xí)過(guò)程的實(shí)現(xiàn)。

圖3. 光調(diào)制人工神經(jīng)通路實(shí)現(xiàn)光刺激控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)作學(xué)習(xí)以及記憶功能。

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)解構(gòu)生物體中神經(jīng)通路的功能單元，類比設(shè)計(jì)了具備信息傳感、處理與反饋功能的人工神經(jīng)通路。在不同功能的集成下，以脈沖光調(diào)制電壓輸入的策略實(shí)現(xiàn)了突觸功能的模擬，最終產(chǎn)生具有學(xué)習(xí)與記憶現(xiàn)象的反饋動(dòng)作。該工作實(shí)現(xiàn)了光調(diào)制的智能反饋系統(tǒng)，可以為自發(fā)反饋器件以及仿生智能的設(shè)計(jì)提供創(chuàng)新性的思路。

相關(guān)論文發(fā)表在ACS Nano上，南洋理工大學(xué)博士后何克為文章的第一作者， 劉亞慶教授與陳曉東教授為共同通訊作者。