南开大学徐文涛团队《AFM》：具有超灵敏脉冲响应和双向可塑性的MXene/电解质人造突触

高分子科学前沿

突触是神经元之间相互接触、并借以传递信息的关键部位。人造神经系统中的关键部件也通过模拟生物神经元间的突触间隙行为来实现信息的传递、处理和整合。为了构建一个能够解决复杂问题的神经系统，人们已经开发了多种类型的人造突触器件，例如忆阻器，突触晶体管。在基于离子迁移的众多人造突触中，由于能量消耗低、多记忆状态和稳定运行等诸多优点而备受研究者们青睐。然而，单一突触器件上脉冲灵敏度、功耗、工作频率等关键问题的探究对于构建人造神经系统具有重要意义。

近日，南开大学电子信息与光学工程学院徐文涛教授课题组在国际前沿期刊《先进功能材料》上发表了题为“Redox MXene Artificial Synapse with Bidirectional Plasticity and Hypersensitive Responsibility”的研究论文（DOI: 10.1002/adfm.202007232），首次利用离子在MXene表面的吸脱附和层间插入的电化学行为，模拟基本的脉冲依赖可塑性、记忆增强、和树突整合功能等。这种人工突触功耗低，对数十毫伏的小脉冲依然有良好的响应。

【MXene/电解质人造突触结构及其操作机制】

研究者们将制备的MXene薄膜与固态电解质结合构筑类似电池结构的两端人造突触，模仿了突触间隙处生物信号的传递过程。通过离子在MXene表面的吸脱附和层间的插入来调节突触的强度，进而实现多种突触可塑性的模拟。

图1 MXene/电解质人造突触的结构和操作机理

【人造突触的树突整合功能】

拥有多个输入端口的人造突触实现了诸多树突整合功能。首先，通过调节端口实现了“或”“与”等逻辑运算。其次，通过调节输入端口的输入顺序实现时空关联的学习规则。有趣的是，将不同输出响应的突触后电流与人的两种情绪相关联，在人造突触器件上模拟了负面情绪调节过程。最后，在器件上还模拟了经典条件学习；通过对器件的关联训练，使得该人造突触能够在仅给予“铃铛”刺激时，亦可产生“唾液”反应。

图2 MXene/电解质人造突触的树突整合功能

【人造突触的记忆增强功能】

研究者将人造突触的放电电流曲线与所提出的记忆衰减模型关联，对单一突触不同脉冲数目下的电流衰减曲线进行多函数拟合，并对比了不同脉冲和不同突触数目下的电流衰减曲线。

图3 MXene/电解质人造突触的记忆增强模拟

最后，研究者们还对比发现，基于MXene/电解质的人造突触具有离子的双向传输特性。同时，MXene较低的离子扩散势垒和优良导电性优势使得该人造突触对较低幅值的脉冲具有很高的灵敏性，并展现较低的功耗。这一人造突触构建策略在高灵敏脉冲响应的人造神经系统中具有重大潜力。

来源：高分子科学前沿

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