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近年來，工程師們一直致力于開發(fā)能夠模擬各種生物系統(tǒng)（包括突觸、人體皮膚和神經(jīng)）功能的硬件元件。這些受生物啟發(fā)的系統(tǒng)被稱為人造神經(jīng)，旨在再現(xiàn)人類及其他動物體內(nèi)神經(jīng)的作用。

人造神經(jīng)的應(yīng)用范圍極廣，從修復(fù)受損神經(jīng)，到腦機(jī)接口、高精度傳感器及其他先進(jìn)電子設(shè)備，不一而足。然而，迄今為止，工程師要設(shè)計出與生物頻率兼容且能逼真復(fù)制神經(jīng)功能的神經(jīng)啟發(fā)系統(tǒng)，仍面臨重大挑戰(zhàn)。

近日，西安交通大學(xué)與德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的研究人員開發(fā)出一種新型高頻人工神經(jīng)。該系統(tǒng)采用獨(dú)特設(shè)計，優(yōu)化了離子與電子的傳輸，能夠快速響應(yīng)信號并保留電荷相關(guān)信息。這項研究發(fā)表在《Nature Electronics》上，所介紹的神經(jīng)啟發(fā)系統(tǒng)基于同質(zhì)集成的有機(jī)電化學(xué)晶體管。

“n型有機(jī)電化學(xué)晶體管是構(gòu)成人造神經(jīng)的潛在組件，因為它們的正電位觸發(fā)特性可以模擬生物細(xì)胞的行為，”研究人員在論文中寫道?！暗捎谶@些器件在離子與電子傳輸及存儲方面性能較弱，導(dǎo)致其揮發(fā)性和非揮發(fā)性特性不足，特別是在響應(yīng)速度方面表現(xiàn)不佳。我們介紹了一種基于同質(zhì)集成有機(jī)電化學(xué)晶體管的高頻人工神經(jīng)?！?/p>

生物神經(jīng)的工作原理、組成部分（粉色方框）和人工構(gòu)件（藍(lán)色方框）

該團(tuán)隊開發(fā)的人工神經(jīng)基于在基底上依次沉積的垂直 n 型有機(jī)電化學(xué)晶體管。這些器件可模擬人體神經(jīng)系統(tǒng)中受體、突觸和體節(jié)的功能，最終形成神經(jīng)樣電路。

“我們制造了一種具有梯度混合雙連續(xù)結(jié)構(gòu)的垂直 n 型有機(jī)電化學(xué)晶體管，可同時提升離子與電子傳輸及離子存儲能力，”研究人員寫道?！霸摼w管具備 27 微秒的揮發(fā)性響應(yīng)、100 kHz 的非易失性記憶頻率及較長的狀態(tài)保持時間。”

此前的人工神經(jīng)系統(tǒng)雖然在離子與電子傳輸、長期記憶等方面表現(xiàn)良好，但在其他方面卻難以兼顧。而此次研究人員打造的基于有機(jī)晶體管的系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了良好的離子與電子傳輸，還具備長期離子存儲能力，打破了此前的性能權(quán)衡。

“我們設(shè)計的集成人工神經(jīng)由垂直排列的 n 型與 p 型有機(jī)電化學(xué)晶體管組成，能在高頻領(lǐng)域提供感知、處理和記憶等功能，”研究人員寫道?！拔覀冞€展示了該人工神經(jīng)可植入神經(jīng)功能受損動物模型中，并能模擬基本的條件反射行為?！?/p>

為評估其潛力，研究人員將人工神經(jīng)植入神經(jīng)功能受損的小鼠體內(nèi)。初步研究顯示，該系統(tǒng)不僅與小鼠生物組織相容，還能有效模擬條件性神經(jīng)反射。

未來，這種人工神經(jīng)有望進(jìn)一步優(yōu)化，并在更大規(guī)模實(shí)驗中測試其安全性與性能。最終，它可應(yīng)用于開發(fā)修復(fù)神經(jīng)回路的技術(shù)和腦機(jī)接口系統(tǒng)，如可由大腦控制的假肢、幫助癱瘓患者與人交流的裝置，或是可精確監(jiān)測和操控腦活動的系統(tǒng)。