图3：基于感存算一体化的“可视”痛觉感知系统
人类可以凭借强大的智能视觉系统，在低能耗的条件下清晰有效地感知周围环境。因此，基于新器件来构建一种高效的智能视觉系统是人类梦寐以求的目标。然而，当前的人工视觉传感装置仍然还需要进一步整合智能感知能力。痛觉感受器作为保护人体的关键感知神经元，其在人体仿生传感装置中的应用尚需进一步开发。有鉴于此，为了实现真正多功能的视觉整合，开发一种能够将光电信号完美转换为视觉疼痛信号的简易器件具有重要意义。
近日，中南大学蒋杰副教授与华东师范大学田博博研究员、南京大学万青教授合作提出了一种基于柔性垂直超短沟道晶体管的“可视”痛觉网络，实现了光电混合感知的“可视”痛觉神经网络仿生。相关工作以“Flexible Vertical Photogating Transistor Network with an Ultrashort Channel for In-Sensor Visual Nociceptor”为题，于2021年6月在线发表于Advanced Functional Materials杂志上。
图1：“可视”痛觉生物感知系统及仿生器件结构对比图
图2：垂直柔性器件形貌以及电学性能的表征
受到生物视觉痛感受器保护系统的启发，在本研究中，基于柔性垂直多光栅调控的氧化物晶体管，成功实现了一种具有疼痛感知能力的人工视网膜系统。图1给出了器件网络结构以及生物视觉智能传感的示意图。研究人员对构建的柔性垂直氧化物晶体管进行了一系列深入表征。发现在富氧真空溅射环境制备In-Sn-O (ITO)薄膜可以有效降低氧空位，使ITO的导电能力变弱。研究人员对通氧后ITO 原子晶格、材料形貌进行了表界面分析，同时也对器件做了相应的柔性测试。采用海藻酸钠(SA)生物材料可以同时作为柔性自支撑基底和离子耦合栅介质材料，使其表现出了优异的器件性能（如图2所示）。
该器件不仅能对光信息有很好的感知和存储能力（可以使光响应短程记忆（STM）到长程记忆 (LTM)进行转变），同时这种光响应行为还可以通过电学刺激来进一步调节。理论分析发现这主要归因于光栅效应(Photogating effect）对器件产生的影响。施加光照的时候，电子被限制在一个狭窄的区域内，导致了输运电子和被困空穴之间的空间分离，减少了它们的复合，提高了载流子寿命。当栅极偏置为负时，能带的弯曲会促进ITO/SA界面中空穴的积累，从而减弱空穴捕获，如图3g所示。对于正栅偏压，由于能带弯曲，来自这些空穴陷阱的光栅效应可以增强，如图3i所示。在光栅效应的调控下器件展现出了很好的光感知行为。基于器件的光电协同效应，研究人员初步实现了“可视”痛觉的生物仿生功能（如图3j~m所示）。
图4：光感知的“可视”痛觉预警网络
此外，研究人员还利用人工视网膜光电器件（基于3×3共面多栅网络(Gn, n=1~9)）构筑了具有光痛觉感知能力的分级光学痛觉报警(OPA)传感系统。随着栅极到沟道距离的增加，该器件的痛觉感知能力相应减弱。这是由于随着栅极到沟道距离的增加，离子耦合路径变弱，固体电解质的电容变小和电阻变大。该功能将极大改善这种视觉系统的不均匀损伤，有效增强视觉对光痛觉感知的响应，为智能视觉系统的发展带来广阔的前景（如图4所示）。
图5：时空混合与颜色刺激触发的“可视”痛觉敏化系统
有意思的是，该器件可实现不同时空和不同颜色模式下的痛觉光敏化。在受到初次伤害刺激后，疼痛感知能力将会变得更加敏感，以保护机体免受二性伤害。同时还可以通过改变共面栅网络的空间位置信息，有效地调制异步光电耦合和多波长混合的耦合动力学过程，实现灵活调节光电/颜色痛苦灵敏度。这种基于可穿戴柔性光电器件的人工电子皮肤，不仅可以有效地保护皮肤免受外界有害环境的伤害，还可以根据不同的目的去提升光电混合系统的感知灵敏度。这种人工“可视”痛觉感知器件有望在数据安全、视觉医疗、环境报警等智能可穿戴电子设备中具有很好的应用前景。
该论文的第一作者为冯光迪，通讯作者为中南大学的蒋杰副教授与华东师范大学田博博研究员、南京大学的万青教授。该工作得到了湖南省自然科学基金项目; 国家自然科学基金项目；浙江省实验室开放科研项目以及上海市科技创新行动计划项目等大力支持。
*本报道由中国科协科学技术传播中心支持发布
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