發布時間：2023年1月9日
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伴隨傳統紡織業與電子、制造、傳感和物聯網等技術融合，無處不在的織物被給予了更高的期望以及更多的功能，也逐漸演變為人工智能技術的新載體。電子織物作為可穿戴電子的重要分支在能量收集/儲存、感知、顯示/交互和信息存儲/處理等領域引起了廣泛關注。作為電子織物的基本單位，一維的功能纖維具有輕巧、超柔和多功能的特性，同時可以進一步通過成熟的編織技術制成透氣紡織品，對未來智能織物的發展具有重要意義。在人類與外界環境的交互中，80%以上的外部信息都是通過人類的眼睛接收的，因此仿生人工視覺系統在人機交互、圖像識別、自動駕駛和低功耗光神經形態等應用中展現出巨大潛力。近年來，基于光電人工突觸的仿生視覺系統取得了快速發展，可同時實現對電信號/光信息的感知并且能夠對感知到的信息進行臨時記憶甚至是初步運算。目前，構建具有良好的柔性且兼具透氣性的可穿戴人工視覺系統仍然面臨巨大挑戰。
中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員李清文、張其沖等因此提出并驗證了纖維狀光電人工突觸器件的概念，該器件可同時實現光/電信號誘導的多種仿生突觸功能，包括脈沖易化、長/短時程可塑性以及“學習-鞏固-再學習”等行為。在光電突觸性能的基礎上，研究人員成功地將多個纖維狀器件編入透氣的織物，從而使得柔性織物能夠實現對簡單數字圖像信息進行感知和存儲的功能。
在碳納米管纖維上分別構筑含有氧空位的TiO2-X納米線和MoS2納米片陣列，得到的柔性纖維電極通過纏繞工藝制備了纖維狀光電人工突觸器件。通過對器件施加電刺激，器件展現出類似生物突觸的行為，如興奮、抑制行為，脈沖易化，短/長時程可塑性等。
就人類的學習和記憶而言，瞬時獲取并暫時存儲的視覺信息會逐漸消失，除非在一段時間內連續獲取相同的信息，這些記憶通過重復學習轉移到長期記憶（LTM）。因此，研究人員在纖維狀光電人工突觸器件上研究了光感知和突觸特性，通過應用兩個連續的光脈沖，間隔時間為10秒，觀察到了光誘導的PPF特性。學習、遺忘和排練行為也通過不斷地開/關燈來模仿。將一系列突觸前脈沖應用于纖維狀光電人工突觸會導致突觸后電流增加，從而促進突觸連接強度（“學習”）。隨著光刺激的去除，突觸后電流逐漸降低（“遺忘”），表明存在STM過程。在“遺忘”過程后應用相同的突觸前刺激，突觸后電流迅速達到并超越之前的記憶水平（“再學習”），表明學習和記憶能力增強。
纖維狀光電人工突觸展現出良好的柔性以及多方向的光吸收特性。為了展示基于纖維狀光電人工突觸的紡織品的視覺感知和記憶功能，研究人員將多個器件編織入透氣的織物，構建了利用光掩模的光電流成像紡織品，該織物能夠對簡單數字光學圖像信息感知和記憶，證明了其在開發可穿戴視覺記憶系統方面的潛力。
該工作為設計和開發感知記憶功能一體化的柔性功能纖維開辟了新途徑。相關成果以Fiber-Shaped Artificial Optoelectronic Synapses for Wearable Visual-Memory Systems為題發表在Matter上。
2023-01-04 來源： 蘇州納米技術與納米仿生研究所