我国学者在人造神经研究方面取得进展

图1 室温钙钛矿人造突触器件载流子迁移路径及创纪录能耗情况图

图2 神经形态仿生运动-认知神经与猕猴的眼-前庭跨模态感觉神经对照图

在国家自然科学基金项目（批准号：T2125005）等资助下，南开大学徐文涛教授课题组相继报道了无热退火兆赫兹级超快低能耗神经形态器件和人造跨模态多感官运动-认知仿生神经。研究成果分别以“基于钝化无热退火钙钛矿神经形态器件的仿生柔性神经肌肉系统（A bioinspired flexible neuromuscular system based thermal-annealing-free perovskite with passivation）”和“哺乳动物-脑启发的神经形态运动-认知神经实现跨模态知觉增强（Mammalian-brain-inspired neuromorphic motion-cognition nerve achieves cross-modal perceptual enhancement）”为题，于2022年12月2日和2023年3月11日连续在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35092-w，https://www.nature.com/articles/s41467-023-36935-w。

人造神经是近年来兴起的一项前沿交叉融合科学技术，通过人工体外电子重塑方式模拟或替代生物体内的神经功能，可以与智能假肢或器官假体结合，帮助截肢者或神经损伤患者重新获得感知与运动能力；也可为机器人赋能神经形态逻辑，使其具有类人乃至超人的感知与运动能力。在人造神经系统中，存在一种被称为突触的连接单元，其运行速度和能耗大小对系统性能有着举足轻重的影响。此外，大脑的多感官整合（Multisensory Integration）将不同模态感官信息进行结合，对于许多生物完成决策、记忆和学习等认知任务至关重要。如何从硬件层面在神经形态器件中实现认知智能是亟待解决的难题。

徐文涛教授团队及其合作者提出一种全新的技术路线，首次实现了钙钛矿基突触的全室温制备，显著降低了制备工艺复杂程度。团队得到了高度垂直取向化结晶MAPbI3钙钛矿薄膜，在规范了载流子的传输路径的同时，辅以苯乙基碘化胺(PEAI)钝化，减少了阴离子空位缺陷，实现了4.17MHz的超快响应与13.5aJ/突触行为的两端突触器件世界最低能耗。系统探究了钙钛矿两端器件的载流子迁移动力学过程，得出了可移动阴离子沿空位的优先迁移路径，给出了离子迁移直接可视化证据（图1）。在此基础上，基于该超快极限低能耗器件，构建了具有神经肌肉疲劳警报功能的人造传出神经，有助于神经形态机器人等领域的发展。

课题组模拟了哺乳动物大脑中多模态感官线索整合的生物机制，结合传感信号的脉冲编码策略及神经形态器件的脉冲整合特性，运用神经电信号时空识别方法，构建了人造运动感知神经，实现了类脑水平的运动识别功能。进一步，来自不同类型传感器的信息被有效整合后，运动识别的准确率（高于94%）显著提升。这种运动感知神经具有可穿戴、高集成、低功耗的特点，可贴附于人体皮肤或装载于智能无人机，完成人体动作识别、无人机飞行模式识别等复杂任务（图2）。

该系列工作通过电子、仿生、材料、物理等多学科融合交叉，将神经形态认知智能与大脑多模态感知机制相结合，对外周神经反射弧修复再生、神经形态软体机器人以及物理智能（Physical Intelligence）等领域发展具有重要意义，有望在神经科学、医学和工程学等领域为人类的生活带来积极的影响。