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内容概览
现有技术缺点
依赖外部电源：传统人工神经系统（ANS）的运行需要外部电源，这限制了系统的小型化、集成化以及在实际应用中的使用。 复杂硬件集成：现有的ANS仿生设计在实现完全的信号传导方面仍然依赖复杂的硬件系统，增加了设计难度。
高功耗和低稳定性：常规的生物突触器件如RRAM和MRAM在功耗和稳定性上存在不足，限制了新一代ANS的发展。
文章亮点
零电压写入人工神经系统（ZANS）：该系统整合了离子生物源传感装置（BSSD）和基于锆掺杂氧化铪的铁电隧道结（HZO-FTJ），实现了无需外部电源的零电压写入神经信号感知与调制。
离子生物源感知与能量输出：BSSD利用离子浓度差作为感知源和能量源，成功实现了离子信号的感知和电信号输出，具有高电压输出和较大电流输出的特点。
优越的神经形态信号调制：HZO-FTJ作为生物突触器件，具备低功耗、高稳定性和连续可调的多级电阻状态，与传统RRAM和MRAM相比性能更优。
应用场景
机器人与假肢：ZANS的无外部电源依赖性使其在机器人和假肢中的应用前景广阔，能够提供更加仿生和精准的控制。
肌肉控制：通过将ZANS与柔性神经刺激电极结合，成功实现了兔子腿部肌肉的精确控制，展示了其在生物医学工程中的潜力。
总结
本文提出了一种基于生物源传感装置（bio-source-sensing device，BSSD）和基于锆掺杂氧化铪的铁电隧道结（hafnium-zirconium oxide-ferroelectric tunnel junction，HZO-FTJ）的零电压写入的人工神经系统（zero-voltage-writing artificial nervous system，ZANS），该系统实现了零电压写入的神经信号感知和调制，展示了无需外部电源的应用潜力。尽管系统在尺寸和稳定性方面仍需优化，但这种创新的设计框架为新型人工神经系统的发展提供了灵感，特别是在机器人和假肢领域具有显著的应用前景。
文章名称：A Zero-Voltage-Writing Artificial Nervous System Based on Biosensor Integrated on Ferroelectric Tunnel Junction
期刊：Advanced Materials
文章DOI：
https://doi.org/10.1002/adma.202404026
通讯作者：中国科学院微电子研究所罗庆（ Qing Luo）研究员和中国科学院半导体研究所王丽丽（Lili Wang）研究员
第一作者：秦晓坤（Xiaokun Qin,），钟博文（Bowen Zhong），吕舒贤（Shuxian Lv）
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图文简介
作者提出了一种零电压写入人工神经系统，该系统集成了基于离子传感和发电的生物源传感装置和用于连续可调电阻状态的锆掺杂氧化铪的铁电隧道结（图1）。在该系统中，离子生物源既是感知源又是能量源。生物源感器件由双层非对称的氧化石墨烯基薄膜组成，可以实现离子信号的感知和能量的输出，其输出性能在目前报道的相关零电压写入器件中处于较高水平，超过了大多数基于氧化石墨烯的器件。此外，生物突触器件为基于锆掺杂氧化铪的铁电隧道结，该器件在系统中表现出连续电导可调以及优异的稳定性，其隧道电阻随外界电压变化的行为与突触可塑性非常相似，可以准确的进行神经形态的信号调制，同时，与传统的RRAM和MRAM相比，其性能在本系统中更具优势。
图1：零电压写入人工神经系统的结构设计与性能测试
图2. 生物源传感器设备（BSSD）的模拟计算和性能表征。
为了评估功能，将基于六个 生物源感器件和铁电隧道结的零电压写入人工神经系统与柔性神经刺激电极集成，用于兔腿部肌肉控制（图2）。动物实验中，利用柔性电极缠绕在兔腿部坐骨神经上进行刺激，并将一对针状电极插入肌纤维中采集肌电信号。实验结果表明，随着溶液离子浓度的增加，兔子腿部摆动角度和肌电信号逐渐增大。该结果证明了零电压写入人工神经系统通过感知离子浓度实现了腿部肌肉的精确控制，成功模拟了生物神经系统的部分功能进行运动控制。最后，将系统进行了细胞毒性和体内生物相容性实验，证明了零电压写入人工神经系统的体内应用的潜力。该项工作扩展了人工神经系统在信号源和调制单元方面的可行结构，推动了机器人和假肢中集成仿生电子系统的发展。
图4：使用动物肌肉控制实验进行系统验证。
图5. 零电压写入人工神经系统（ZANS）的生物相容性特征分析。
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文献来源
Qin X, Zhong B, Lv S, Long X, Xu H, Li L, Xu K, Lou Z, Luo Q, Wang L. A Zero-Voltage-Writing Artificial Nervous System Based on Biosensor Integrated on Ferroelectric Tunnel Junction. Adv Mater. 2024 Aug;36(32):e2404026. doi: 10.1002/adma.202404026. Epub 2024 Jun 5. PMID: 38762756.
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