它超越了与人工突触有关的所有能量效率基准

由斯坦福大学(Stanford University)副教授Alberto Salleo带领的国际研究团队设计出一种低成本、生物兼容且极其节能的人工突触，这种所谓的“电化学神经形态有机组件”(ENODe)主要是由聚合物制造组成。

研究人员开发的ENODe组件可在1V范围内切换至超过500个不同的非挥发性导电状态，超越以往与人工突触有关的所有能量效率基准。

研究人员在《自然材料快报》(Nature Materials Letters)期刊中发表的论文——“非挥发性有机电化学组件为神经形态运算打造低电压人工突触”(A non-volatile organic electrochemical device as a low-voltage artificial synapse for neuromorphic computing)中指出，在神经网络仿真中建置大量的(103?m^2) ENODe组件时，每次突触事件下可抽取低于10pJ的能量，并经证实可达到高分类确度(约在93%～97%之间)。

研究人员预计，由于切换能量与电极面积成正比，以光学微影技术制造的次微米0.3×0.3μm　ENODe在每次切换时只需要35 aJ (10-18J)的能量，较运作于人脑中的生物突触更低数十倍。

这种ENODe组件的运作原理不同于以长丝形成金属氧化物(FFMO)或相变内存(PCM)等材料为基础的现有忆阻器，而是由两种类似的聚合物薄膜堆栈组成，其间并以传输离子/质子的电解质层加以隔离。藉由在两层薄膜(形成前、后突触层)上施加电压，其中一薄膜可逆向控制该有机混合/电子组件的导电率，并为其设置成不同的非挥发状态。

(a) 组件结构图。利用传输离子/质子的电解质层(红色球)隔离前、后突触层。(b) 正向Vpre驱动质子进入后突触电极，并经由质子化PEI补偿部份的PSS。该反应由于电荷中性而导致PEDOT在相同电极下还原，从而消除了极化子(红色)，并降低聚合物的电导率。在施加负极Vpre时的反应相反。

研究人员将ENODe组件描述为一种非挥发性的氧化还原单元(NVRC)，其中由电荷状态决定电子传导性，以及阻障层从改变状态解耦至保留状态的位置。研究人员解释，这可在实现极低切换电压(低至10mV脉冲)的同时，也保有非挥发性。

利用后突触电位Vpost监测导电状态，接口层的导电率显示两个神经元之间连接的突触权重。透过改变前突触脉冲的大小或持续时间，即可编程后突触状态。

研究人员发现，ENODe组件可恰当地仿真;在自然界中发现的短期到长期增强作用，而其可扩展性(尺寸和几何形状决定运作速度和切换能量程度)使它成为未来用于设计超低功率神经形态计算机的理想候选技术。

弹性化固态神经形态组件示意图

使用这种ENODe组件，可将全塑料神经电极数组植入大面积系统中，也可以折迭成3D密集连接的神经形态组件，从而打造植入式义肢。

研究人员甚至设想将这种生物兼容的组件植入先进的神经义肢，以及结合神经感测与训练机制的整合型人脑-机器接口。

编译：Susan Hong

本文授权编译自EE Times，版权所有，谢绝转载

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