仿生神经形态的智能感知系统是无人系统硬件研发领域的重要研究方向，而人工神经突触器件是构建仿生神经形态系统的重要基础之一。近期，上海自主智能无人系统科学中心PI、同济大学材料科学与工程学院黄佳教授团队在面向无人系统的感知机理、器件研发和应用等方面取得了系列突破，相关工作成果近期发表Cell子刊（Device）论文1篇，Advanced Materials论文3篇。
感知机理方面，为突破人工神经突触器件在智能感知方面需兼具系统本身的稳定性和对外界刺激灵敏性的限制，黄佳教授团队利用自由基的电荷捕获效应，诱导光调控突触行为探索出新型感知机理，发展了在化学环境剧烈变化下仍能正常工作的有机突触晶体管，成功实现了在不同环境条件下的噪声过滤和对比增强特性。为无人系统构建具有可靠性能的神经形态感知系统提供了一种有前景的策略【1】。
图1：有机突触晶体管在不同环境条件下的噪声过滤和对比增强特性
器件研发方面，由于缺乏具有热稳定性的有机光电神经突触器件，目前仿生视觉感知系统在无人系统高温场景应用仍面临诸多限制。黄佳教授团队基于热稳定半导体聚合物研制了有机高温突触光电晶体管，利用高分子链互穿网络结构设计，在室温至220℃的宽工作温度范围均能实现类视觉的光响应突触功能，并验证了器件的光学解码功能以及视觉对象识别功能，演示了可靠的光调制突触可塑性调节和类神经形态计算应用，同时在宽温度范围实现比人脑神经突触功耗低1000的极低电压下的极低功耗工作【2】。该工作可提升无人系统在高温环境下的感知工作效率及感知适应能力。
图2：有机高温突触光电晶体管在宽工作温度范围下的应用
在应用方面，由于有机半导体在光刻过程中易被有机溶剂破坏，使有机电子器件的光刻制备成为另一难题。黄佳教授团队分别以正交溶剂预图案法【3】（图3）和聚合物交联法【4】（图4）结合传统的光刻技术，构建了可与柔性衬底兼容的高密度、高均一性的有机晶体管智能感知阵列，经过1000次弯曲测试后仍保持了优异的性能。利用这些阵列器件的易失性和非易失性突触调控能力，以较低的训练成本实现了对手写数字高精度识别。该工作为高性能、高密度柔性神经突触晶体管的光刻制备提供了新思路，为无人系统感知性能的提升提供底层支撑。
图3：正交溶剂预图案法构建晶体管智能感知阵列
图4：聚合物交联法构建晶体管智能感知阵列
探究多特征融合的新型感知机理，设计新型的专用感知器件与芯片，提出感知与认知的新理论与新方法，实现大范围复杂场景建模、学习与任务理解是自主智能无人系统教育部前沿科学中心的重要研究内容之一。通过面向无人系统的人工突触器件开展机理研究及器件研发与应用，发展化学、光等变量环境检测感知器件，推进感知器件的应用，可实现无人系统对外界环境的“感”与“知”功能，极大地提升无人系统的环境适应性、工作效率性能。
【1】Dapeng Liu, Junyao Zhang, Qianqian Shi, Tongrui Sun, Yutong Xu, Li Li, Li Tian, Lize Xiong*, Jianhua Zhang*, and Jia Huang*
Humidity/Oxygen- Insensitive Organic Synaptic Transistors based on Optical Radical Effect
Advanced Materials. (2024) 36, 2305370. (28 July 2023,2024/1/4) [32.08]
https://doi.org/10.1002/adma.202305370
【2】Ziyi Guo, Junyao Zhang, Ben Yang, Li Li, Xu Liu, Yutong Xu, Yue Wu, Pu Guo, Tongrui Sun, Shilei Dai, Haixia Liang, Jun Wang, Yidong Zou, Lize Xiong,* and Jia Huang*
Organic High-Temperature Synaptic Phototransistors for Energy-Efficient Neuromorphic Computing
Advanced Materials. (2024) 36, adma.202310155 [32.08]
https://doi.org/10.1002/adma.202310155
【3】Xu Liu, Shilei Dai, Weidong Zhao, Junyao Zhang, Ziyi Guo, Yue Wu, Yutong Xu, Tongrui Sun, Li Li, Pu Guo, Jie Yang, Huawei Hu*, Junhe Zhou*, Peng Zhou*, Jia Huang*.
All-photolithography fabrication of ion-gated flexible organic transistor array for multimode neuromorphic computing
Advanced Materials. (2024) 36, 21, 2312473 [32.08]
https://doi.org/10.1002/adma.202312473
【4】Pu Guo, Junyao Zhang, Haoqian Pu, Ben Yang, Chengwen Huang, Tongrui Sun, Li Li, Xu Liu, Ziyi Guo, Yue Wu, Shilei Dai, Junhe Zhou*, Jia Huang*
Wafer-scale photolithographic fabrication of organic synaptic transistor arrays for memory recall emulation and neuromorphic computing
Device. (2024) accepted DEVICE-D-24-00013
