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近日，中国科学院上海硅酸盐研究所曹逊研究员团队和华中科技大学缪向水教授、杨蕊教授团队合作，在国际上首次报道了一种高性能的柔性忆阻神经元器件，通过模拟生物多模态感知功能，构建了一种柔性跨模态感内计算系统。该项工作采用上海硅酸盐所最新研发的高质量柔性VO2薄膜生长技术，使得神经元器件具有高耐久性、高均匀性、超快响应速度和高灵活性，在此基础上研发的柔性硬件处理系统可实现高达98.1%的动态物体识别准确率和实时信号反馈。相关研究成果以“Crossmodal sensory neurons based on high-performance flexible memristors for human-machine in-sensor computing system”为题发表在Nature Communications (15, 7275 (2024)) 上。华中科技大学集成电路学院2021级博士生李志远和上海硅酸盐所2024级博士生李众少为共同第一作者，上海硅酸盐所曹逊研究员、华中科技大学缪向水教授、杨蕊教授为论文共同通讯作者。
生物多感官系统具有多模态融合和并行处理能力，有助于进行稳定而节能的物体识别。生物启发传感内计算系统已成为多模态感知和处理物理世界模拟信号的理想选择，可缓解传感器-处理器接口的数据传输瓶颈。忆阻器作为这一领域的新兴器件之一，由于其简单的双端结构和丰富的离子动力学能够实现传感器内计算（类比突触和神经元），可以比CMOS器件更有效地工作。
上海硅酸盐所光热调控智能材料团队在钒氧化合物材料研究方面有着数十年的研究经验，可以通过物理（PLD, Sputtering）和化学（水热）方法实现各种高质量纯相钒氧化合物材料的可控制备，如外延单晶/多晶膜，纳米粉体等，该项工作通过引入Cr2O3缓冲层来诱导VO2膜层低温生长，成功实现高性能的柔性忆阻神经元器件。该器件凭借缓冲层的支持，不仅能够在低温下实现生长，还具备超高的循环寿命（>1012）、出色的良率（97%）、高均一性（C2C：0.72%和D2D：3.73%）、超快响应速度（<30 ns），且能够在多次弯曲条件下表现出优异的稳定性。同时，研究团队将柔性VO2忆阻器与柔性压力传感器巧妙的耦合，构建了一种柔性跨模态感内编码神经元（CSSN），实现了温度和压力信号的实时感知、编码以及解码。通过模拟人类的本体感知反射系统，构建了一个基于柔性CSSN的柔性跨模态处理硬件系统。该柔性系统不仅可以实时感知外界压力和温度变化，还能生成及时的触觉反馈信号，从而有效规避潜在的危险信号。结合储备池计算网络，构建了一种跨模态脉冲储备池计算系统，实现对动态物体的高精度识别（98.1%）以及实时反馈功能。该研究为构建高效、低功耗的可穿戴人机交互系统提供新的思路，有望广泛应用于智能穿戴设备、机器人技术以及其他多模态感知领域。
该研究工作得到国家自然科学基金、上海市自然科学基金原创探索等项目资助。
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51609-x
生物启发的跨模态智能感知计算系统
柔性VO2忆阻器的结构和电学特性
人工尖峰感觉神经元的温度和压力感应与编码特性
用于人机交互的柔性跨模态感内处理系统
