南洋理工大学《AFM》：两个有机晶体管构建低功耗人工神经元，实现多模态感知集成！-特诺科技官方网站

南洋理工大学《AFM》：两个有机晶体管构建低功耗人工神经元，实现多模态感知集成！

来源：科诺科研

作为构建人工皮肤、柔性生物电子和类脑智能系统的重要基础单元，有机电化学晶体管（organic electrochemical transistor, OECT）因其低电压工作、离子-电子耦合传输、柔性和生物兼容等优势，被认为是模拟生物神经信号传递的理想器件平台。尤其是 OECT 的工作过程与生物神经系统中的离子调控机制高度相关，使其在人工突触、人工神经元和神经形态传感系统中展现出巨大潜力。然而，目前已报道的 OECT 人工神经元通常依赖复杂电路结构、多个晶体管或特定材料/电解质组合，难以同时兼顾低功耗、结构简洁、材料通用性以及多模态感知信号的融合与解码。

为了解决这一问题，南洋理工大学何强研究员、 Wei Lin Leong 教授、Nripan Mathews 教授团队创造性地开发了一种基于 n 型累积模式 OECT 的对称交叉耦合有机人工神经元（SCONe）。该系统仅使用两个相同的 n 型 OECT 作为核心有源器件，即可在单一输入电压调控下模拟 10 种生物相关神经放电行为；同时，该结构适用于 BBL、Cl₂-BAL 和 p(C₆NDI-T) 等多种 n 型半导体材料，并可在PSSNa、KCl、NaCl 和 PBS 等不同电解质环境中稳定工作。值得注意的是，BBL 基SCONe的最低功耗可低至 0.18 μW，并在超过 600 万个连续脉冲周期后仍保持稳定输出，显示出优异的低功耗和长期运行稳定性。

进一步地，研究团队将该人工神经元与离子、光、压力和温度等多种刺激输入耦合，实现了多模态信号的神经形态编码、融合与选择性解耦，并通过人工脉冲成功诱导捕蝇草叶片闭合，展示了其在人工皮肤、柔性传感、生物接口和有机神经形态系统中的应用潜力。该研究以 “n-Type Accumulation-Mode Organic Electrochemical Transistors as General Building Blocks for Low-Power Organic Artificial Neurons Enabling Multimodal Sensing Integration” 为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

【仿生触觉感知与有机人工神经元设计】

人类皮肤中分布着大量压力、温度和疼痛感受器，能够将外界刺激转化为具有时间和空间特征的神经脉冲信号，并通过感觉神经传输至中枢神经系统进行融合和处理。这种“刺激—脉冲—解码”的信息处理方式具有高效、低功耗和并行处理等特点，为人工皮肤、柔性传感和神经形态器件提供了重要仿生思路。

受生物神经系统启发，作者构建了一种对称交叉耦合有机人工神经元SCONe。该电路由两个相同的 n 型累积模式 OECT 与电阻、电容元件组成。两个 OECT 以推挽方式交替导通和关闭：当一个晶体管处于开启状态时，另一个晶体管关闭；随后状态发生反转，从而形成稳定的周期性脉冲输出。

在这一过程中，电容类似于生物神经元膜电位的积分单元，可以不断积累电荷；OECT 则类似于阈值激活的离子通道，当电压达到阈值后触发状态切换并产生脉冲信号。因此，SCONe可在简洁电路结构下模拟生物神经元的动作电位放电过程。

图1. 生物触觉感知系统、人工突触 OECT 及SCONe有机人工神经元结构示意图

【两个 OECT 构建稳定神经样脉冲输出】

作者首先系统研究了SCONe的基本脉冲输出行为。实验结果显示，两个输出端可产生对称的脉冲信号，两个 OECT 的栅极电压随时间交替变化，说明该电路能够在不同状态之间自主切换并产生稳定神经样振荡。

SCONe的脉冲频率可以通过调节电路中的电容和电阻进行控制。当电容减小时，电路充电至阈值所需时间缩短，脉冲频率随之升高；改变电阻值也可调控 RC 时间常数，从而实现对神经样放电频率的精细调节。通过电阻和电容参数调控，SCONe可覆盖从低频到较高频率的脉冲输出范围，显示出良好的可调性。

为了进一步验证其仿生感知能力，作者将压阻式压力传感器引入SCONe电路。外界压力会改变传感器阻值，进而调控电路时间常数和输出脉冲频率。实验结果表明，随着压力从 5 kPa 增加到 55 kPa，SCONe的放电频率明显升高，说明该系统可以将机械刺激强度编码为神经样脉冲频率。

更重要的是，作者进一步将SCONe输出脉冲接入捕蝇草叶片。捕蝇草通常可通过机械刺激触发闭合，而在本研究中，SCONe产生的人工脉冲也可诱导捕蝇草叶片在数秒内闭合，展示了有机人工神经元与生物系统进行功能交互的可能性。

图2. SCONe的脉冲输出、频率调控、压力响应及捕蝇草生物接口展示

【材料通用的低功耗SCONe】

许多已有 OECT 人工神经元依赖特定半导体材料、电解质体系或特殊器件响应，这在一定程度上限制了其可扩展性和应用通用性。本文提出的SCONe则主要依赖 n 型累积模式 OECT 的普遍阈值导通行为，而不是某一种材料的特殊性质，因此具有更好的材料通用性。

为验证这一点，作者分别使用 BBL、Cl₂-BAL 和 p(C₆NDI-T) 三种 n 型聚合物半导体构建 OECT，并进一步搭建SCONe电路。实验结果显示，三种材料体系均能够产生稳定神经样脉冲输出，说明该结构可作为适用于多种 n 型累积模式 OECT 的通用人工神经元构建模块。

在低功耗方面，作者通过调节电路中 R1 和 R4 的阻值来限制流经晶体管的电流，从而降低整体功耗。结果显示，BBL 基SCONe的最低功耗可达 0.18 μW，对应单脉冲能耗为 3.1 μJ；Cl₂-BAL 基SCONe和 p(C₆NDI-T) 基SCONe的最低功耗分别为 0.25 μW和 0.35 μW，同样达到亚微瓦级低功耗运行。

此外，SCONe还表现出优异的长期稳定性。基于 BBL 的器件在室温空气环境下存放 6 个月后仍可保持稳定放电，并且连续运行 15 天、超过 600 万个脉冲周期后，脉冲幅值和频率未观察到明显漂移。这一结果表明，SCONe具备长期稳定运行的潜力，可满足可穿戴电子、生物接口和边缘神经形态系统对低功耗与稳定性的需求。

图3. 不同 n 型聚合物构建的SCONe及其低功耗表现

【单一输入电压模拟多种神经放电行为】

生物神经元能够根据刺激强度和初始状态表现出丰富的放电模式，例如持续放电、相位放电、爆发放电、反弹放电和抑制诱导放电等。能否在简洁电路中复现这些神经动力学行为，是评价人工神经元仿生能力的重要指标。

本文中，SCONe仅通过调节单一输入电压 Vin，即可模拟 10 种生物相关神经放电行为，包括峰值延迟、强直性放电、时相性爆发、时相性放电、亚阈值振荡、第二类放电、反弹放电、抑制诱导放电、积分器、不应期。相比许多需要多个电压源、多个电流源或复杂电路重构的神经形态系统，SCONe在调控方式和电路复杂度方面具有明显优势。

例如，在接近阈值电压时，SCONe可表现出放电延迟现象，并且随着输入电压增大，放电延迟时间逐渐缩短，这与生物神经元中更强刺激诱导更短响应延迟的行为相似。当输入电压进一步升高时，SCONe可依次表现出持续放电、相位爆发和相位放电等典型神经元响应。

此外，作者还通过设置初始偏置电压，实现了亚阈值振荡、Class 2 放电、反弹放电和抑制诱导放电等更加复杂的神经行为。这些行为来源于交叉耦合 RC-OECT 电路中的充放电动力学、晶体管阈值导通特性以及两个 OECT 之间的互斥切换机制。

作者进一步利用 SPICE 模型对SCONe电路进行仿真，结果表明模拟输出与实验观察到的多种神经放电模式高度一致，进一步验证了该电路结构用于模拟神经动力学行为的合理性。

图4. BBL 基SCONe模拟多种神经放电行为的实验结果与 SPICE 仿真结果

【离子、光和压力刺激调控神经样放电】

OECT 的重要优势之一是能够在液体和电解质环境中工作，这使其非常适合用于生物电子和神经接口系统。作者进一步研究了SCONe在不同液体电解质环境中的运行特性，发现其可在 KCl、NaCl 和 PBS 等电解质中实现稳定的电压调控脉冲输出。

在不同离子浓度下，SCONe的放电延迟表现出明显变化。随着 KCl 或 NaCl 浓度从 0.1 M 增加至 0.5 M，脉冲启动延迟显著缩短。这说明更高的离子强度能够加速 OECT 中离子传输以及电化学掺杂/去掺杂过程，从而使神经样放电更快启动。这一行为与生物神经元中离子浓度影响兴奋性和放电阈值的机制相呼应。

为了进一步展示外界感知信号对SCONe的直接调控，作者还将钙钛矿光探测器与SCONe耦合，构建了光驱动神经形态感知系统。光探测器在光照下产生电压输出，并直接连接至SCONe输入端。随着光强从 0.103 mW cm⁻² 增加至 0.205 mW cm⁻²，SCONe的放电行为可在亚阈值振荡、持续放电、相位爆发和相位放电等模式之间切换，显示出光强调控神经元放电模式的能力。

在机械刺激方面，作者将压力传感器与SCONe电路耦合，使压力信号通过电压调制方式作用于人工神经元。随着外加压力变化，SCONe可产生不同神经样放电模式，进一步证明其能够将机械刺激强度转化为具有生物相关性的脉冲信号。

图5. 离子浓度、光照强度和压力刺激对SCONe神经样放电行为的调控

【多模态感知信号的融合与选择性解耦】

人类感知系统不仅能够同时接收触觉、温度等多种刺激，还能够在神经系统中对这些混合信号进行融合和区分。对于人工皮肤和柔性神经形态系统而言，实现多种传感信号的集成、传输和解码同样十分关键。

基于SCONe的可调脉冲输出特性，作者构建了一种神经形态多模态感知系统。该系统由两个SCONe组成，分别与压力传感器和温度传感器耦合。其中，压力通道和温度通道分别产生不同频率范围的脉冲信号，并最终合成为一个混合输出信号。

由于两个感知通道具有不同的频率特征，混合信号可以通过频分复用方式进行选择性解耦。作者分别利用低通滤波和高通滤波提取温度诱导脉冲和压力诱导脉冲，从而实现对温度和压力信息的独立还原。解耦后的信号能够准确反映对应外界刺激的变化，说明该系统可有效模拟生物感知系统中多模态信号融合与解码过程。

这一结果表明，SCONe不仅是一个能够产生神经样脉冲的人工神经元单元，还可以进一步作为多模态传感、信号融合和神经形态编码的通用模块。该策略有望用于人工皮肤、柔性机器人、智能假肢、可穿戴电子和生物电子接口等领域。

图6. 基于SCONe的压力-温度多模态神经形态感知系统及信号解耦结果

总结

作者提出了一种基于 n 型累积模式 OECT 的对称交叉耦合有机人工神经元SCONe。该系统仅由两个相同的 n 型 OECT 作为核心有源器件构成，在显著简化电路结构的同时，实现了低功耗神经样脉冲输出和多种生物相关神经放电行为模拟。

与以往依赖特定材料或复杂电路结构的 OECT 人工神经元相比，SCONe具有更好的材料通用性和系统可扩展性。该结构可适用于 BBL、Cl₂-BAL 和 p(C₆NDI-T) 等多种 n 型聚合物半导体，并可在PSSNa、KCl、NaCl 和 PBS 等电解质环境中稳定运行。同时，BBL 基SCONe的功耗可低至 0.18 μW，并可在超过 600 万个连续脉冲周期后保持稳定输出。

进一步地，SCONe可将离子、光、压力和温度等多种外界刺激转化为神经样脉冲信号，实现多模态感知信息的融合与选择性解耦，并可通过人工脉冲与捕蝇草等生物系统实现功能交互。因此，该工作为构建低功耗、柔性化、材料通用的有机神经形态系统提供了新的器件架构和设计思路，有望推动人工皮肤、可穿戴传感、生物电子接口和类脑智能硬件的发展。

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