有机光突触：模拟视觉神经功能，开启生物电子新篇章

《Device》：Transparent and flexible organic bulk heterojunction photonic synapse for neuromorphic computing and reflex arc behavior

本文利用体异质结有机光突触（BHJ-OPS）模拟视觉神经功能，在多领域展现应用潜力。

　　

一、研究背景与意义

在生命科学和健康医学领域，模仿生物感官和运动功能的人工系统发展至关重要。人类身体能够执行多种传感功能，如检测光、声、压力等外部刺激以及神经冲动等生物信号，并处理复杂神经信号产生相应运动反应。这些神经信号通过突触传递，形成复杂的人类神经系统。其中，视觉在信息获取中占据重要地位，大脑处理的信息超 80% 来自视觉过程。

受神经系统启发的光电突触，能够处理人工感官器官的神经信号并产生丰富的突触反应和运动输出，在替代受损神经、增强人类感官和运动功能以及人机接口等方面具有广阔应用前景。然而，当前复制人类视觉和运动反应的研究面临诸多挑战，如能源效率、光谱敏感性和灵活性等问题。现有许多神经形态视觉系统存在视野受限、对近红外（NIR）光检测能力不足等缺点。

有机半导体凭借可调节光吸收范围、溶液加工性、成本效益、机械柔韧性和生物相容性等优势，在透明和柔性光突触器件中展现出巨大潜力。本研究提出的体异质结有机光突触（BHJ-OPS）为解决上述问题提供了新途径，有望推动下一代人机接口、神经假体和软机器人等领域的发展。

二、BHJ-OPS 的设计与制备

BHJ-OPS 是一种基于体异质结结构的光突触，其设计思路是通过简单混合供体和受体，无需额外捕获层。实验选用 D18 作为供体，非富勒烯材料 L8-BO 作为受体，构建了基于 BHJ 活性层的两终端器件来模拟生物突触。

在制备过程中，首先对玻璃 / ITO 或 PET/ITO 基板进行清洗和臭氧处理。然后将 D18 和 L8-BO 按不同重量比溶解在氯仿中，并添加 0.5% 的 1 - 氯萘作为溶剂添加剂，配制成浓度为 16mg/mL^-1的前驱体溶液。通过旋涂法在 ITO 上沉积厚度为 120nm 的活性层，之后在手套箱中 110°C 退火 10min，最后热蒸发沉积 20nm 厚的 Ag 作为上金属电极，制成 BHJ-OPS 器件。该器件的 OPS 阵列包含两种不同活性面积的单个器件，分别为 20×20μm²和 2×2mm² 。

三、BHJ-OPS 的性能研究

1. 光学吸收与突触特性优化：研究人员对不同 D18 浓度的混合薄膜进行了紫外 - 可见（UV-vis）吸收光谱测试。结果显示，L8-BO 在近红外波长范围内与 D18 的吸收光谱互补。随着 D18 浓度增加，可见光吸收增强，近红外吸收减弱。进一步研究发现，D18 的混合浓度对突触特性有显著影响。当 D18 混合浓度为 0% 时，器件几乎无突触特性；随着浓度增加，滞后窗口先增大后减小，在 20% 时器件性能最佳，此时其兴奋性突触后电流（EPSC）值和衰减时间明显优于其他浓度的器件。
2. 光响应与突触可塑性：选择 525nm 可见光和 808nm 近红外光作为突触前刺激，研究 BHJ-OPS 的光响应特性。结果表明，在 1mW/cm²的光强下，器件对可见光和近红外光刺激均能产生不同强度和可塑性类型的 EPSC。在近红外范围内，器件的 EPSC 峰值更高，衰减时间更长，显示出更强的突触可塑性。

成对脉冲易化（PPF）指数是衡量短期可塑性（STP）的重要指标。研究发现，随着两个光脉冲时间间隔（Δt）的增加，525nm 和 808nm 光脉冲激发的 PPF 指数呈指数衰减。而且，波长从 525nm 增加到 808nm 时，平均 PPF 指数持续增加，说明长波长光脉冲能提高信息处理速度。此外，由于 ITO 和 Ag 电极的透光率不同，从 ITO 电极侧入射光时，PPF 值明显更高。

研究人员还实现了脉冲时间依赖可塑性（STDP）行为。根据非对称赫布学习规则，当 |Δt | 较小时，突触权重变化（ΔW）增加，表明 STDP 功能可在毫秒级时间尺度内运行，与生物突触的时间常数相符。在 808nm 光脉冲照射下，对 20% D18 混合层的器件进行 10 个周期的电流 - 电压（I-V）曲线测量，发现其电导率在连续的双正向电压扫描中持续增加，展示了良好的光突触行为。同时，该器件对连续的 808nm 光脉冲响应中，电流逐渐增加，体现了强突触可塑性；而在 1060nm 近红外光连续照射下，EPSC 逐渐减小，出现长时程抑制（LTD）现象。这是因为 1060nm 光照射时，活性层吸收弱，光生激子数量减少，激子复合率增加，导致光电流（PSC）在达到峰值后下降。对多个 BHJ-OPS 器件进行测试，发现光诱导的长时程增强（LTP）和 LTD 过程具有出色的稳定性和重复性，证明了该器件的高再现性。3. 能量消耗：生物突触的一个关键特征是低能量消耗，单个突触事件所需能量约为 1 - 10fJ。通过公式 E = I×Δt×V 计算 BHJ-OPS 器件的能量消耗，其中 I 为产生的 EPSC 峰值，Δt 为尖峰脉冲间隔，V 为施加电压。在施加电压低至 0.5V，尖峰脉冲宽度为 0.02s 时，该器件仍可检测到 EPSC，峰值为 80.89μA，计算得出每个尖峰的能量消耗仅为 10fJ，远低于生物突触。4. 长时程可塑性与学习行为模拟：在生物突触中，STP 通常可通过长时间外部刺激转化为 LTP。在 BHJ-OPS 器件中，通过施加不同宽度、数量和强度的光脉冲，成功复制了这种 STP 到 LTP 的转变。研究发现，随着光脉冲宽度、数量和强度的增加，EPSC 上升，衰减时间延长，突触可塑性从 STP 转变为 LTP，且变化呈线性趋势，意味着可通过光写入实现线性权重更新。

此外，BHJ-OPS 还模拟了 “学习经验” 行为。首先施加 30 个光脉冲，器件的 PSC 升高，模拟学习过程；间隔一段时间后，PSC 逐渐下降，模拟遗忘过程；再次施加 7 个相同光脉冲，PSC 又回升到较高水平，模拟再学习过程。这种行为类似于人类大脑的学习过程，表明该器件在模拟生物学习方面具有潜力。5. 关联学习模拟：关联学习是大脑的一种高阶学习行为，巴甫洛夫条件反射是其典型例子。研究人员利用 BHJ-OPS 在全光信号控制下成功模拟了巴甫洛夫实验。用 525nm 光脉冲作为非条件刺激（食物刺激），808nm 光脉冲作为条件刺激（铃声刺激）。单独施加 525nm 光脉冲时，产生的光电流超过阈值，对应狗流口水；单独施加 808nm 光脉冲时，光电流未超过阈值，对应狗不流口水。经过一段时间训练，同时施加两种刺激后，狗对单独的 808nm 光脉冲（铃声刺激）也会产生条件反射响应。

四、BHJ-OPS 的特性与应用探索

1. 透明柔性特性：透明和柔性的光突触器件在下一代神经形态机器人应用中具有重要价值，如透明显示器、可穿戴电子设备和先进人机接口等。BHJ-OPS 阵列具备这些特性，在 D18 浓度为 20% 时，器件展现出优异的透明度和近红外吸收能力。

对 BHJ-OPS 进行灵活性测试，将其安装在柔性聚对苯二甲酸乙二酯（PET）基板上，可轻松弯曲至 0°、45°、90° 和 135° 。而且，该器件在不同弯曲状态下的光电突触性能几乎不变，经过 100 次弯曲循环后仍能保持稳定性能。此外，BHJ-OPS 阵列在 PET 基板上具有近 360° 的光响应视觉感知能力，在 x 和 y 方向上对不同角度的入射光均能产生响应，最大 EPSC 值分别可达 26.98μA 和 27.49μA（正面照射，270°）以及 25.17μA 和 25.77μA（背面照射，90°）。这种方位敏感特性使其在宽视野检测和采集方面具有巨大潜力，适用于工业机器人的全景运动检测和避障等应用。2. 视觉学习模拟：为模拟视觉学习过程，研究人员构建了一个 26×26 像素的阵列，并将突触权重值的变化映射到 EPSC，用 Python 软件对识别面部的训练过程进行模拟。以人脸作为信号输入，用 10 - 50 个近红外脉冲对系统进行训练。结果显示，随着脉冲数量增加，整体灰度分布更加集中，面部细节增强。而且，像素电流与入射光角度有关，更垂直的角度（即更高的光强）能使图案学习更快更好，类似于正面观察人脸能更好地识别面部特征。3. 莫尔斯电码模拟与光通信潜力：BHJ-OPS 器件能够响应与国际莫尔斯电码对应的近红外图案，每个英文字母产生独特的 EPSC 幅度响应。研究人员用 808nm 近红外脉冲光源作为信号发射器，BHJ-OPS 器件作为接收器，将 0.5s 和 1.5s 脉冲宽度的光脉冲分别编码为 “?” 和 “?” 。器件成功接收了 26 个英文字母的莫尔斯电码，由于突触的记忆特性，“?” 和 “?” 能被持续记忆，表现为电流持续增加直至该字母信号传输结束。通过统计分析 26 个字母诱导的 EPSC，发现每个字母产生的 EPSC 不同且呈线性相关，表明该突触器件能准确识别和记忆莫尔斯电码中的字母。例如，对 “SYNAPSE” 一词的编码光信息进行解码，器件能精确响应并为每个编码字母产生不同的 EPSC 信号，展示了该系统在未来光保真通信中的潜在应用。4. 手势识别：手势识别在医疗保健、人机交互和认知神经科学研究等领域至关重要。基于 BHJ-OPS 阵列构建的神经网络可用于手势识别。BHJ-OPS 的主要功能包括通过电导调制进行突触权重更新和存储，以及基于欧姆定律和基尔霍夫定律进行模拟域向量 - 矩阵乘法运算。

实验中，动态视觉传感器（DVS）捕获手势数据作为输入信号，经过训练，神经网络可对不同手势信号进行分类。研究人员展示了五种不同的人类手势，DVS 将其处理为事件流，通过点云表示时空变化。采用脉冲神经网络（SNN）对每个手势的 800 个数据集生成的 2D 地图进行训练和测试，结果显示，SNN 模型在仅 50 次迭代后就能快速学习并识别手势，识别准确率高达 87.5%。损失函数快速下降并保持高稳定性，表明该系统学习能力强，在手势识别任务中性能稳定，即使数据量相对较小也能有效处理和分类复杂的时间模式。5. 构建生物电子反射弧：光遗传学可实现对神经活动的精确光控，刺激肌肉纤维比神经肌肉电刺激更精细，有望通过光刺激转基因光敏运动神经元恢复受损神经肌肉系统的运动功能。研究人员将人工视觉传入神经连接到螃蟹的运动神经，构建了模拟近红外传感运动控制系统的完整视觉和运动神经通路反射弧。

当光敏感的 OPS 器件受到光信号刺激时，其电阻变化，导致螃蟹腿部电压改变。由于刺激信号的幅度和持续时间增加会激活更多肌肉纤维并增强其产生的力量，因此肌肉收缩强度与动作电位相关，可通过控制光脉冲刺激的持续时间来调节运动反应。实验中，分别对器件施加 10s、15s 和 25s 的 808nm 波长连续光脉冲，随着刺激时间延长，器件电流逐渐增加，螃蟹腿部电压增大，刺激强度增强，腿部运动范围扩大。例如，第一次刺激后腿部运动高度约为 1.3cm，第二次为 1.9cm，第三次为 2.7cm 。增加刺激强度和持续时间，螃蟹腿部运动高度相应增加。这种人工反射弧在神经假体和视觉康复领域具有诱人的应用潜力。

五、研究总结与展望

本研究成功制备了具有两终端架构的 BHJ-OPS，用于模拟生物视觉功能。通过将异质结中的光伏效应与介电层中的电子捕获相结合，20% D18 混合浓度的 BHJ-OPS 展现出高性能的双向生物突触特性，包括 STP、LTP、经验学习、关联学习（巴甫洛夫条件反射实验）和莫尔斯电码模拟等。该透明和柔性的 BHJ-OPS 器件还具有 360° 视角的高性能近红外突触功能，单个事件的功耗低至 10fJ。通过在模拟的 BHJ-OPS 阵列上运行 SNN 算法，成功验证了该生物电子系统在增强手势识别和检测手指运动方面的潜力。最后，将人工视觉传入神经与生物运动神经集成，创建了能够激活肌肉的混合生物电子反射弧，在柔性可穿戴机器人和神经假体等领域显示出广阔的应用前景。

未来，随着研究的深入，BHJ-OPS 有望在更多领域得到应用和发展。在医疗领域，可能为视觉障碍患者带来新的治疗方案，帮助他们恢复视觉感知；在机器人领域，能进一步提升机器人的感知和交互能力，使其更好地适应复杂环境。然而，目前仍面临一些挑战，如进一步提高器件的稳定性和性能，优化制备工艺以降低成本等。相信随着技术的不断进步，这些问题将逐步得到解决，BHJ-OPS 将为生命科学和健康医学领域带来更多突破。