近日，中國科學院上海矽酸鹽研究所曹遜研究員團隊和華中科技大學繆向水教授、楊蕊教授團隊合作，在國際上首次報道了一種高效能的柔性憶阻神經元器件，透過模擬生物多模態感知功能，構建了一種柔性跨模態感內計算系統。該項工作采用上海矽酸鹽所最新研發的高品質柔性VO2薄膜生長技術，使得神經元器件具有高耐久性、高均勻性、超快響應速度和高靈活性，在此基礎上研發的柔性硬體處理系統可實作高達98.1%的動態物體辨識準確率和即時訊號反饋。相關研究成果以「Crossmodal sensory neurons based on high-performance flexible memristors for human-machine in-sensor computing system」為題發表在Nature Communications (15, 7275 (2024)) 上。華中科技大學積體電路學院2021級博士生李誌遠和上海矽酸鹽所2024級博士生李眾少為共同第一作者，上海矽酸鹽所曹遜研究員、華中科技大學繆向水教授、楊蕊教授為論文共同通訊作者。
生物多感官系統具有多模態融合和並列處理能力，有助於進行穩定而節能的物體辨識。生物啟發傳感內計算系統已成為多模態感知和處理物理世界模擬訊號的理想選擇，可緩解傳感器-處理器介面的數據傳輸瓶頸。憶阻器作為這一領域的新興器件之一，由於其簡單的雙端結構和豐富的離子動力學能夠實作傳感器內計算（類比突觸和神經元），可以比CMOS器件更有效地工作。
上海矽酸鹽所光熱調控智慧材料團隊在釩氧化合物材料研究方面有著數十年的研究經驗，可以透過物理（PLD, Sputtering）和化學（水熱）方法實作各種高品質純相釩氧化合物材料的可控制備，如外延單晶/多晶膜，奈米粉體等，該項工作透過引入Cr 2 O 3 緩沖層來誘導VO 2 膜層低溫生長，成功實作高效能的柔性憶阻神經元器件。該器件憑借緩沖層的支持，不僅能夠在低溫下實作生長，還具備超高的迴圈壽命（>10 12 ）、出色的良率（97%）、高均一性（C2C：0.72%和D2D：3.73%）、超快響應速度（<30 ns），且能夠在多次彎曲條件下表現出優異的穩定性。同時，研究團隊將柔性VO2憶阻器與柔性壓力傳感器巧妙的耦合，構建了一種柔性跨模態感內編碼神經元（CSSN），實作了溫度和壓力訊號的即時感知、編碼以及解碼。透過模擬人類的本體感知反射系統，構建了一個基於柔性CSSN的柔性跨模態處理硬體系統。該柔性系統不僅可以即時感知外界壓力和溫度變化，還能生成及時的觸覺反饋訊號，從而有效規避潛在的危險訊號。結合儲備池計算網路，構建了一種跨模態脈沖儲備池計算系統，實作對動態物體的高精度辨識（98.1%）以及即時反饋功能。該研究為構建高效、低功耗的可穿戴人機互動系統提供新的思路，有望廣泛套用於智慧穿戴裝置、機器人技術以及其他多模態感知領域。
該研究工作得到國家自然科學基金、上海市自然科學基金原創探索等計畫資助。
論文地址：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51609-x
生物啟發的跨模態智慧感知計算系統
柔性VO 2 憶阻器的結構和電學特性
人工尖峰感覺神經元的溫度和壓力感應與編碼特性
用於人機互動的柔性跨模態感內處理系統
