我国学者在人造神经形态视觉和味觉反射系统研究方面取得进展

　　

图1 人造角膜反射弧与人类原生角膜反射弧

 

图2 人造味觉系统与人类原生味觉系统

　　在国家自然科学基金项目（批准号：T2125005）等资助下，南开大学徐文涛教授团队研发了具有触觉的人造智能角膜和具有味觉反射功能的人造神经形态系统。研究成果分别以“具有触觉的人造智能角膜实现感官拓展和交互 (An artificially-intelligent cornea with tactile sensation enables sensory expansion and interaction)”和“具有咸味感知、信息处理和过量摄入预警功能的神经形态味觉系统 (Neuromorphic Gustatory System with Salt-Taste Perception, Information Processing, and Excessive-Intake Warning Capabilities)”为题，于2023年11月和2023年1月在《自然?通讯》（Nature Communications）和《纳米快报》（Nano Letters）上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-42240-3，https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c02775。

　　神经形态器件是一种集信息存储与计算于一体的新型器件架构形式，近年来以神经形态器件为核心构建人造神经和完整反射弧的研究受到广泛关注。基于神经形态的人造神经和人造反射弧具有能效高、适应性强、可拓展性好等特点，将有望帮助神经受损患者实现神经修复，重塑其感觉和运动能力。

　　徐文涛教授团队以传感器振荡电路、氧化锌锡（ZTO）纤维基人造突触和电致变色器件作为感受器、处理核心和效应器构建了完整的人造反射弧，设计出了一种人造智能角膜，实现了对外界机械刺激和光刺激的编码、信息处理以及对透射光的调节（图1）。其中，人造突触以数字对准的ZTO纤维作为沟道，不仅长而连续、且光学性能优异（透过率>99.89%，雾度<0.36%）。此外，通过改变锌原子和锡原子的摩尔比，可实现对ZTO纤维晶体结构的精准调控，进而定制化长/短突触可塑性，并应用于联想学习和加密通信。与人类原生角膜相比，该人造智能角膜不仅可以承担其保护、触觉感知和光折射功能，还拓展了对光的感知和交互能力。

　　该团队还通过集成离子凝胶传感器、二氧化锡纳米线基人造突触和效应执行单元，构建了人造神经形态味觉系统，具备味觉感知、信息处理和过量摄入预警功能，无需复杂电路和多变量分析即可完成味觉刺激的感知和编码（图2）。该系统通过控制离子流入诱发电导变化的传感机制，结合神经形态器件，实现了小于1 秒的响应延迟，大于2小时的味觉记忆持续时间和较宽的浓度感知范围（0.02 - 6 wt%）。

　　该系列工作构建了基于神经形态器件的人造神经形态视觉和味觉反射系统，拓展了仿生学研究，对神经形态义肢和类人机器人等领域的发展具有重要意义。