突觸是神經元之間相互接觸、並藉以傳遞信息的關鍵部位。人造神經系統中的關鍵部件也通過模擬生物神經元間的突觸間隙行為來實現信息的傳遞、處理和整合。為了構建一個能夠解決複雜問題的神經系統，人們已經開發了多種類型的人造突觸器件，例如憶阻器，突觸晶體管。在基於離子遷移的眾多人造突觸中，由於能量消耗低、多記憶狀態和穩定運行等諸多優點而備受研究者們青睞。然而，單一突觸器件上脈衝靈敏度、功耗、工作頻率等關鍵問題的探究對於構建人造神經系統具有重要意義。
近日，南開大學電子信息與光學工程學院徐文濤教授課題組在國際前沿期刊《先進功能材料》上發表了題為“Redox MXene Artificial Synapse with Bidirectional Plasticity and Hypersensitive Responsibility”的研究論文（DOI: 10.1002/adfm.202007232），首次利用離子在MXene表面的吸脫附和層間插入的電化學行為，模擬基本的脈衝依賴可塑性、記憶增強、和樹突整合功能等。這種人工突觸功耗低，對數十毫伏的小脈衝依然有良好的響應。
【MXene/電解質人造突觸結構及其操作機制】
研究者們將製備的MXene薄膜與固態電解質結合構築類似電池結構的兩端人造突觸，模仿了突觸間隙處生物信號的傳遞過程。通過離子在MXene表面的吸脫附和層間的插入來調節突觸的強度，進而實現多種突觸可塑性的模擬。
圖1 MXene/電解質人造突觸的結構和操作機理
【人造突觸的樹突整合功能】
擁有多個輸入端口的人造突觸實現了諸多樹突整合功能。首先，通過調節端口實現了“或”“與”等邏輯運算。其次，通過調節輸入端口的輸入順序實現時空關聯的學習規則。有趣的是，將不同輸出響應的突觸後電流與人的兩種情緒相關聯，在人造突觸器件上模擬了負面情緒調節過程。最後，在器件上還模擬了經典條件學習；通過對器件的關聯訓練，使得該人造突觸能夠在僅給予“鈴鐺”刺激時，亦可產生“唾液”反應。
圖2 MXene/電解質人造突觸的樹突整合功能
【人造突觸的記憶增強功能】
研究者將人造突觸的放電電流曲線與所提出的記憶衰減模型關聯，對單一突觸不同脈衝數目下的電流衰減曲線進行多函數擬合，並對比了不同脈衝和不同突觸數目下的電流衰減曲線。
圖3 MXene/電解質人造突觸的記憶增強模擬
最後，研究者們還對比發現，基於MXene/電解質的人造突觸具有離子的雙向傳輸特性。同時，MXene較低的離子擴散勢壘和優良導電性優勢使得該人造突觸對較低幅值的脈衝具有很高的靈敏性，並展現較低的功耗。這一人造突觸構建策略在高靈敏脈衝響應的人造神經系統中具有重大潛力。
來源：高分子科學前沿
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