具有感知和認(rèn)知能力的可穿戴人工智能（AI）傳感器在健康監(jiān)測(cè)方面引起了人們的極大興趣。開(kāi)發(fā)功能高效、能耗與人腦相似的自供電人工智能傳感器至關(guān)重要。物理儲(chǔ)層計(jì)算（PRC）利用物理現(xiàn)象來(lái)模擬大腦功能，為節(jié)能架構(gòu)提供新的解決方案。然而，使用PRC開(kāi)發(fā)使用靈活的一次性傳感器并能夠以亞秒響應(yīng)時(shí)間處理生物應(yīng)用的光信號(hào)，仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。近期，研究人員使用納米纖維素和氧化鋅（ZnO）納米顆粒開(kāi)發(fā)出一次性、柔性紙基光電器件，用于實(shí)現(xiàn)物理儲(chǔ)層計(jì)算。

這種由東京理科大學(xué)（Tokyo University of Science，TUS）研究人員開(kāi)發(fā)的柔性紙基傳感器的功能與人腦類(lèi)似。在人腦中，信息通過(guò)突觸在神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)中傳輸。每個(gè)神經(jīng)元獨(dú)立處理信息的能力允許同時(shí)處理多個(gè)任務(wù)，使大腦比傳統(tǒng)的計(jì)算系統(tǒng)更有效率。

為了模擬這種能力，研究人員設(shè)計(jì)了一種光電人工突觸器件，該器件由位于10μm透明膜（材料成分是ZnO納米顆粒和納米纖維素）之上的金電極組成。該透明膜允許光通過(guò)，使人工突觸器件能夠處理表示各種生物信息的光學(xué)輸入信號(hào)。

此外，纖維素納米纖維賦予透明膜柔性，并且可以很容易通過(guò)焚燒處理。此外，ZnO納米顆粒具有光響應(yīng)性，并在暴露于脈沖紫外光和恒定電壓時(shí)產(chǎn)生光電流。這種光電流模擬了人腦中突觸傳遞的反應(yīng)，使該器件能夠解釋和處理從光學(xué)傳感器接收的生物信息。

值得注意的是，該器件可以區(qū)分4位輸入光脈沖，并響應(yīng)時(shí)間序列的光輸入產(chǎn)生獨(dú)特的電流，亞秒響應(yīng)時(shí)間對(duì)監(jiān)測(cè)健康信號(hào)至關(guān)重要。此外，當(dāng)暴露于兩個(gè)連續(xù)的光脈沖時(shí)，第二脈沖的電流響應(yīng)更強(qiáng)。這一功能被稱為后增強(qiáng)促進(jìn)，有助于大腦的短期記憶過(guò)程，并提高模式識(shí)別能力。研究人員通過(guò)將MNIST圖像（一個(gè)手寫(xiě)數(shù)字的數(shù)據(jù)集）轉(zhuǎn)換為4位輸入光脈沖，然后用這些脈沖照射薄膜并測(cè)量電流響應(yīng)來(lái)測(cè)試這一點(diǎn)。使用這些數(shù)據(jù)作為輸入，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以88%的準(zhǔn)確率識(shí)別手寫(xiě)數(shù)字。研究人員還通過(guò)重復(fù)彎曲和拉伸測(cè)試驗(yàn)證了該器件的耐用性，即使在1000次循環(huán)后也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)識(shí)別能力的損失，從而證明了其彈性和在人體健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用中重復(fù)使用的潛力。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的東京理科大學(xué)副教授Takashi Ikuno說(shuō)：“我們開(kāi)發(fā)了一種由納米纖維素和ZnO納米顆粒組成的紙基光電突觸器件，用于實(shí)現(xiàn)物理儲(chǔ)層計(jì)算。這種器件在合適的時(shí)間尺度上表現(xiàn)出突觸行為和認(rèn)知任務(wù)，可用于人體健康監(jiān)測(cè)?！?/p>

審核編輯：劉清