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    LBIC微納光電流成像測試系統丨基于MoS2場(chǎng)效應晶體管模擬人類(lèi)的觸覺(jué)和視覺(jué)多感官行為
    更新時(shí)間:2024-06-06瀏覽:231次

    LBIC微納光電流成像測試系統丨基于MoS2場(chǎng)效應晶體管模擬人類(lèi)的觸覺(jué)和視覺(jué)多感官行為 

    分享一篇來(lái)自西安電子科技大學(xué)王利明課題組的新研究成果,本文以“Simulating tactile and visual multisensory behaviour in humans based on an MoS2 field effect transistor"為題發(fā)表于期刊Nano Research,原文鏈接:doi.org/10.1007/s12274-023-5467-7。希望對您的科學(xué)研究或工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)一些靈感和啟發(fā)。

    關(guān)鍵詞:視覺(jué),觸覺(jué),多感官系統,運動(dòng)場(chǎng)景

    正文

    生物感官知覺(jué)能夠檢測外部環(huán)境信息,包括視覺(jué)、觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)。這些信息通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )中突觸連接的強度實(shí)時(shí)集成、記憶和處理,以調節內部狀態(tài),對維持人類(lèi)正常行為至關(guān)重要。人工仿生電子學(xué)具有在人工智能芯片中應用的潛力,已經(jīng)開(kāi)發(fā)出模仿人類(lèi)感官的系統,如電子眼睛、鼻子、舌頭和喉嚨。然而,這些設備無(wú)法模擬人類(lèi)對真實(shí)世界外部環(huán)境的反應,因為通常的行為需要多感官協(xié)同。因此,模擬行走時(shí)視覺(jué)和觸覺(jué)感覺(jué)的協(xié)同作用對于開(kāi)發(fā)更真實(shí)和高效的類(lèi)人機器至關(guān)重要。

    本文中,作者們開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單、直接且成本低廉的方法來(lái)創(chuàng )建一種觸覺(jué)和視覺(jué)的人工多感官集成神經(jīng)系統,通過(guò)連接壓阻器和石墨-MoS2-石墨(Gr-MoS-Gr)場(chǎng)效應晶體管(FET)。該系統不僅單獨通過(guò)壓力和光學(xué)刺激模擬突觸可塑性行為,而且在協(xié)同效應的刺激下表現出比單一感官模擬時(shí)更強的感知能力。通過(guò)改變壓力的幅度、壓力的頻率和光信號的強度,模擬了平坦或粗糙的道路、行走或跑步的運動(dòng)狀態(tài)以及白天或夜間的外部照明環(huán)境。另外,通過(guò)結合上述刺激條件,設計并成功模擬了一系列可區分的日常生活場(chǎng)景,展示了該設備在多感官集成仿生系統中的應用潛力。

    這項工作為開(kāi)發(fā)人工多感官提供了新的途徑,并為人工智能的發(fā)展提供了新的視角、見(jiàn)解和實(shí)際結果。盡管多感官協(xié)同功能的應用尚未被充分探索,但本文的研究為多感官集成的進(jìn)一步發(fā)展提供了重要的一步。

     

    LBIC微納光電流成像測試系統丨基于MoS2場(chǎng)效應晶體管模擬人類(lèi)的觸覺(jué)和視覺(jué)多感官行為 

    圖1 人工多感官神經(jīng)系統的仿真。(a)人類(lèi)行走時(shí)視覺(jué)和觸覺(jué)傳入神經(jīng)的信息整合示意圖。視覺(jué)信息是由眼睛從外光感知到的,而腳皮膚傳感器從道路壓力反饋中獲得了觸覺(jué)信息。(b)一種基于壓電電阻器和突觸晶體管的人工視覺(jué)和觸覺(jué)整合感知示意圖。(c)多感官整合神經(jīng)形態(tài)電路的等效電路圖。

    圖1(a) 描述了生物體如何通過(guò)神經(jīng)系統整合視覺(jué)和觸覺(jué)信息以協(xié)調活動(dòng)。人類(lèi)視覺(jué)系統接收光學(xué)信號并處理,但視覺(jué)范圍有限,因此走路時(shí)無(wú)法通過(guò)視覺(jué)獲取腳下道路信息。此時(shí),觸覺(jué)感知變得至關(guān)重要,腳部受體檢測觸覺(jué)信號,并通過(guò)神經(jīng)傳輸至大腦處理。在黑暗中或對盲人而言,觸覺(jué)尤為重要。(b) 展示了一種人工多感官神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統,它結合了壓阻器和二硫化鉬(MoS2)場(chǎng)效應晶體管(FET)。壓阻器模擬皮膚傳感器,將壓力轉換為電信號,而MoS2通道作為視覺(jué)傳感器,將光學(xué)信息轉換為電流。兩者結合模擬人類(lèi)視覺(jué)和觸覺(jué)整合。(c) 展示了一個(gè)人工神經(jīng)系統的等效電路圖,它合成視覺(jué)和觸覺(jué)單元。通過(guò)調節光學(xué)和壓力信號的頻率和幅度,可以模擬不同的活動(dòng)場(chǎng)景,實(shí)現類(lèi)似人類(lèi)的感知整合。

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    圖2 MoS2 FET的滯后性和光學(xué)響應特性。(a) Gr-MoS2-Gr FET的光學(xué)顯微鏡圖像。插圖:一個(gè)木塊的光學(xué)圖像和一個(gè)壓電電阻器。轉移特性在不同背柵電壓掃描范圍下的滯后性在(b)二氧化硅和(c)PMMA襯底上。插圖:(c) PMMA襯底上MoS2晶體管的能量帶示意圖。在(d)負門(mén)極電壓偏置和(e)正門(mén)極電壓偏置時(shí)的能帶圖。(f) MoS2 FET在源極-漏極偏置為+1 V時(shí)的光電流映射。激光束(λ=532 nm,P=0.25 mW)通過(guò)物鏡聚焦到大約5 μm的斑點(diǎn)大小。

    光電流二維掃描對于研究光電流的起源來(lái)說(shuō)十分重要,圖2(f)中的二維掃描使用卓立漢光公司DSR500系統完成。圖2(f)顯示了在+1V漏極電壓偏置下MoS2 FET的光電流映射,光電流信號主要來(lái)自?xún)蓚€(gè)石墨電極之間的MoS2通道。這種現象表明,肖特基結的勢壘很小,可以有效地收集光生載流子。

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    圖3基于MoS2場(chǎng)效應晶體管的光學(xué)(532nm)信號觸發(fā)的突觸特性。柵極和漏極電壓偏置分別為0和1V。(a)設備由不同功率強度的單個(gè)光脈沖觸發(fā)時(shí),ΔPSCs(Δ表示變化,PSCs表示突觸后電流)的變化。(b)設備的PPF-ΔT擬合曲線(xiàn)。插圖顯示了由兩個(gè)連續的光尖峰觸發(fā)的PPF響應(強度為23.6mW/cm2),其ΔT為300ms。(c)MoS2 FET的EPSC隨尖峰數量的變化。(d)設備在不同的光學(xué)強度下以1Hz的頻率被10個(gè)脈沖觸發(fā)時(shí)的ΔPSCs。

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    圖4展示了人類(lèi)行走時(shí)MoS2的場(chǎng)景設計和模擬。(a)頂部:FR和RR在夜晚行走的場(chǎng)景示意圖。底部:MoS2 FET的ΔPSCs。(b)頂部:FR和RR在白天行走的場(chǎng)景示意圖。底部:MoS2 FET的ΔPSCs。(c)頂部:FR和RR在白天的跑步場(chǎng)景示意圖。底部:MoS2 FET的ΔPSCs。

    總結

    總的來(lái)說(shuō),本研究通過(guò)連接壓電電阻器和二硫化鉬場(chǎng)效應晶體管,構建了一種觸覺(jué)和視覺(jué)多感官整合神經(jīng)系統。作者有效地展示了光學(xué)或壓力信號模擬下的突觸特性以及協(xié)同刺激,后者導致更明顯的感知特征,類(lèi)似于生物系統。協(xié)同刺激下的突觸后電流是光和壓力信號單獨作用下的8.4倍和2.4倍。此外,作者們還設計和驗證了各種可區分的日常場(chǎng)景,通過(guò)改變振幅、頻率和光強度來(lái)模擬道路平坦度(平坦或粗糙)、運動(dòng)狀態(tài)(步行或跑步)和天氣條件(白天或晚上)。

    在這其中,在場(chǎng)景6(白天在粗糙路面上跑步)的ΔPSG是場(chǎng)景1(晚上在平坦路面中行走)的32倍,從而得到了一個(gè)可靠的對比。因此,基于FET器件的人工多感官集成系統對于實(shí)現人工智能中類(lèi)似人感的感知至關(guān)重要,例如用于替代神經(jīng)假體、植入/可穿戴智能電子和下一代機器人自主導航等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )應用。

    西安電子科技大學(xué)王利明老師簡(jiǎn)介

    王利明,副教授,獲復旦大學(xué)理學(xué)博士學(xué)位。從2012年開(kāi)始長(cháng)期從事硅基半導體材料、光電子器件及新型多功能芯片應用研究?,F為西安電子科技大學(xué)微電子學(xué)院碩士生導師。以第一作者或通訊作者在A(yíng)dvanced Functional Materials、ACS Nano、Nano Research等國際期刊發(fā)表論文30余篇,主持及參與科技部重點(diǎn)研發(fā)計劃、自然基金重點(diǎn)項目、國防預研項目等省部級以上項目十余項,授權國際、國家發(fā)明十余項。獲選陜西省科技協(xié)會(huì )青年人才托舉計劃。

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    本研究采用的是北京卓立漢光儀器有限公司DSR500——LBIC微納光電流成像測試系統,如需了解該產(chǎn)品,歡迎咨詢(xún)。

     

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