由斯坦福大學(Stanford University)副教授Alberto Salleo帶領的國際研究團隊設計出一種低成本、生物兼容且極其節能的人工突觸，這種所謂的“電化學神經形態有機組件”(ENODe)主要是由聚合物制造組成。
研究人員開發的ENODe組件可在1V范圍內切換至超過500個不同的非揮發性導電狀態，超越以往與人工突觸有關的所有能量效率基準。
研究人員在《自然材料快報》(Nature Materials Letters)期刊中發表的論文——“非揮發性有機電化學組件為神經形態運算打造低電壓人工突觸”(A non-volatile organic electrochemical device as a low-voltage artificial synapse for neuromorphic computing)中指出，在神經網絡仿真中建置大量的(103?m^2) ENODe組件時，每次突觸事件下可抽取低于10pJ的能量，并經證實可達到高分類確度(約在93%～97%之間)。
研究人員預計，由于切換能量與電極面積成正比，以光學微影技術制造的次微米0.3×0.3μm ENODe在每次切換時只需要35 aJ (10-18J)的能量，較運作于人腦中的生物突觸更低數十倍。
這種ENODe組件的運作原理不同于以長絲形成金屬氧化物(FFMO)或相變內存(PCM)等材料為基礎的現有憶阻器，而是由兩種類似的聚合物薄膜堆棧組成，其間并以傳輸離子/質子的電解質層加以隔離。藉由在兩層薄膜(形成前、后突觸層)上施加電壓，其中一薄膜可逆向控制該有機混合/電子組件的導電率，并為其設置成不同的非揮發狀態。
(a) 組件結構圖。利用傳輸離子/質子的電解質層(紅色球)隔離前、后突觸層。(b) 正向Vpre驅動質子進入后突觸電極，并經由質子化PEI補償部份的PSS。該反應由于電荷中性而導致PEDOT在相同電極下還原，從而消除了極化子(紅色)，并降低聚合物的電導率。在施加負極Vpre時的反應相反。
研究人員將ENODe組件描述為一種非揮發性的氧化還原單元(NVRC)，其中由電荷狀態決定電子傳導性，以及阻障層從改變狀態解耦至保留狀態的位置。研究人員解釋，這可在實現極低切換電壓(低至10mV脈沖)的同時，也保有非揮發性。
利用后突觸電位Vpost監測導電狀態，接口層的導電率顯示兩個神經元之間連接的突觸權重。透過改變前突觸脈沖的大小或持續時間，即可編程后突觸狀態。
研究人員發現，ENODe組件可恰當地仿真;在自然界中發現的短期到長期增強作用，而其可擴展性(尺寸和幾何形狀決定運作速度和切換能量程度)使它成為未來用于設計超低功率神經形態計算機的理想候選技術。
彈性化固態神經形態組件示意圖
使用這種ENODe組件，可將全塑料神經電極數組植入大面積系統中，也可以折迭成3D密集連接的神經形態組件，從而打造植入式義肢。
研究人員甚至設想將這種生物兼容的組件植入先進的神經義肢，以及結合神經感測與訓練機制的整合型人腦-機器接口。
編譯：Susan Hong
本文授權編譯自EE Times，版權所有，謝絕轉載
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