文章題目：Triboelectric nanogenerator for neuromorphic electronics關(guān)鍵詞：Triboelectric nanogenerator,?Neuromorphic electronic,?Memory,?Artificial synapse,

Artificial neuron,Tactile perception system

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970223000019

?近日，深圳大學(xué)周曄教授聯(lián)合英國格拉斯哥大學(xué)Vellaisamy A.L. Roy教授團(tuán)隊在Energy Reviews發(fā)表文章“Triboelectric nanogenerator for neuromorphic electronics”本文討論了摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）在神經(jīng)形態(tài)器件中的最新研究趨勢。TENG本身具有傳感和能量轉(zhuǎn)換的特點，既可以作為觸覺傳感器應(yīng)用于人工感覺神經(jīng)系統(tǒng)，也可以作為電源來開發(fā)自供能神經(jīng)形態(tài)器件，文章最后從TENG觸覺感知性能提升（線性、有效感知范圍等）、器件集成、TENG-神經(jīng)形態(tài)器件研究（如TENG-憶阻器、人工神經(jīng)元、低功耗感覺識別等）等方面進(jìn)行了探索和展望。

01內(nèi)容簡介

1.?Introduction?(前言)

2.?TENG for memory devices（TENG在數(shù)據(jù)存儲方面的應(yīng)用）

3. TENG for artificialsynapses（TENG在人工突觸方面的應(yīng)用）

4. TENG for artificial neurons（TENG在人工神經(jīng)元方面的應(yīng)用）

5. Summary and outlooks（總結(jié)和展望）

02內(nèi)容亮點

1、TENG本身具有傳感和能量轉(zhuǎn)換的特點，可以作為觸覺傳感器應(yīng)用于人工感覺神經(jīng)系統(tǒng)，也可以作為神經(jīng)形態(tài)器件的電源；

2、文章分析了摩擦電納米發(fā)電機(jī)在數(shù)據(jù)存儲、人工突觸和人工神經(jīng)元領(lǐng)域的最新進(jìn)展；并介紹了TENG在神經(jīng)形態(tài)器件領(lǐng)域的未來發(fā)展方向；

3、重點研究了TENG在記憶器件、人工突觸和人工神經(jīng)元方面的相關(guān)工作，進(jìn)行了系統(tǒng)的比較，并提出了未來研究的可能性和挑戰(zhàn)，促進(jìn)TENG基神經(jīng)形態(tài)電子學(xué)的發(fā)展。

03內(nèi)容導(dǎo)讀

構(gòu)建基于神經(jīng)形態(tài)電子器件的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算系統(tǒng)，是在硬件層面突破馮·諾依曼瓶頸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效、低功耗處理的有效途徑。摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG）具有觸覺傳感和能量轉(zhuǎn)換兩種功能，可以在自供能神經(jīng)形態(tài)器件中作為傳感器或電源用于數(shù)據(jù)存儲和生物突觸/神經(jīng)元行為的模擬，進(jìn)一步降低能耗，為近幾年研究的熱點。靜電耦合效應(yīng)是TENG的基本性能，可以用來驅(qū)動場效應(yīng)晶體管（FET）或鐵電材料的極化，因此TENG可以作為電源與鐵電或浮柵型FET相連，構(gòu)建自供能存儲器件。通過重新定義TENG摩擦層起始點位置（d0），可以實現(xiàn)距離控制的寫入與擦除操作和數(shù)據(jù)的多級存儲；另外，將TENG與兩端憶阻器相連，也可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的觸摸寫入。

在人工突觸領(lǐng)域，利用靜電耦合效應(yīng)結(jié)合d0的重新定義，科研工作者們將TENG與各種FET人工突觸器件（如鐵電、光電、浮柵、半浮柵與離子?xùn)判虵ET等）相連接，進(jìn)行生物突觸可塑性模擬；并結(jié)合TENG本身的傳感特性，應(yīng)用于智能觸覺/聽覺/震動/旋轉(zhuǎn)識別、邏輯電路、多模態(tài)感覺識別等；值得注意的是，利用TENG本身的自供能特性，可以構(gòu)建超低功耗的人工突觸，其能耗與生物突觸（~10 fJ/spike）接近。

在人工神經(jīng)元領(lǐng)域，將TENG與閾值型憶阻器相連，可以構(gòu)建自供能痛覺神經(jīng)元及人工機(jī)械感受器等，用來模擬人體感覺神經(jīng)系統(tǒng)行為，如痛覺的“閾值”、“弛豫”及“痛覺過敏”等行為。模擬人體感覺神經(jīng)系統(tǒng)編碼行為，將TENG與震蕩電路（如環(huán)形振蕩器）相連接，可以實現(xiàn)機(jī)械刺激的頻率依賴編碼，避免傳輸過程中的信息丟失。

04重要結(jié)論

本文研究了TENG在神經(jīng)形態(tài)器件領(lǐng)域的應(yīng)用，并從結(jié)構(gòu)組成及能耗等方面系統(tǒng)討論了其在數(shù)據(jù)存儲、人工突觸和人工神經(jīng)元領(lǐng)域的應(yīng)用。TENG本身具有傳感和能量轉(zhuǎn)換的特點，既可以作為觸覺傳感器應(yīng)用于人工感覺神經(jīng)系統(tǒng)，也可以作為電源來開發(fā)自供能神經(jīng)形態(tài)器件：

1、在靜態(tài)/動態(tài)觸覺感知方面，盡管TENG具有較好的分辨率和靈敏度，但其測量范圍和線性度相對較差，并且，隨著刺激強度的增加，靈敏度逐漸降低。其原因可能是多方面的，首先，TENG輸出與接觸面積直接相關(guān)，在低壓力下，接觸面積和輸出隨著壓力的增大而增大，而在高壓力下，接觸面積達(dá)到飽和，導(dǎo)致靈敏度降低，線性及測量范圍變窄；其次，動態(tài)觸覺刺激下的輸出與器件結(jié)構(gòu)、刺激頻率和強度有關(guān)，這些影響因素的復(fù)雜性增加了TENG對動態(tài)觸覺刺激精確測試的難度；在摩擦層表面增加微觀結(jié)構(gòu)可以在一定程度上解決上述問題。另一方面，TENG的其他一些特性，包括柔性、可拉伸性和生物相容性等，都需要大力開發(fā)；

2、目前基于TENG的神經(jīng)形態(tài)器件的研究主要集中在單個器件上，在硬件層面上實現(xiàn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，實現(xiàn)像人腦一樣高效、低功耗的信息處理，還有很長的路要走。其中，設(shè)備集成是阻礙其發(fā)展的重要障礙，因此，需要尺寸較小的TENG器件。當(dāng)器件尺寸足夠小時，需要通過優(yōu)化摩擦層材料和器件結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高其性能，以提供足夠的能量來驅(qū)動神經(jīng)形態(tài)器件。另一方面，低能耗的神經(jīng)形態(tài)器件也需要大力開發(fā)，其中，由于憶阻器具有集成度高、功耗低、尺寸小等特點，應(yīng)更加受到重視，在開發(fā)TENG-憶阻器件時，為了避免引入整流電路，直流TENG是一種較好的選擇；

3、人類可以通過各種感官體驗世界，包括觸覺、視覺、嗅覺、聽覺和味覺。TENG的內(nèi)在感知能力是對機(jī)械刺激(如按壓、拉伸、震動和滑動)的感知，屬于觸覺和聽覺范疇。將TENG與其他類型的傳感器進(jìn)行集成，構(gòu)建自供能多模態(tài)傳感系統(tǒng)來響應(yīng)復(fù)雜環(huán)境刺激將會是一個有趣的研究方向。在此基礎(chǔ)上，通過將TENG與神經(jīng)形態(tài)器件連接，構(gòu)建自供能多模態(tài)感覺識別系統(tǒng)，對仿生智能機(jī)器人具有重要意義；

4、目前基于TENG構(gòu)建人工觸覺輸入神經(jīng)還不能同時實現(xiàn)“全或無”和脈沖依賴編碼功能，可以引入基于閾值型憶阻器的人工神經(jīng)元電路與TENG連接，構(gòu)建自供能的人工觸覺輸入神經(jīng)。還可以在該系統(tǒng)中引入人工突觸器件，形成具有感知、編碼、計算三位一體能力的感覺識別系統(tǒng)；隨著對工作機(jī)理的深入研究和擦電新材料的開發(fā)，將探索出體積小、功能多、結(jié)構(gòu)新穎的TENG。同時，具有新概念、新結(jié)構(gòu)、新機(jī)制的神經(jīng)形態(tài)器件也將持續(xù)開發(fā)出來，并與TENG集成，以探索新的應(yīng)用。在可預(yù)見的未來，隨著上述問題的解決，基于TENG的神經(jīng)形態(tài)器件研究將取得豐碩的研究成果。

通訊作者簡介：

周曄，深圳大學(xué)高研研究院研究員，博導(dǎo)，英國物理學(xué)會會士，皇家化學(xué)會會士，英國工程技術(shù)學(xué)會會士，研究興趣包括信息存儲與傳感器件，在Science、Chem. Rev.、Nat. Electron.、Nat. Commun.、Matter、Adv. Mater.、Appl. Phys. Rev.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.、Mater. Today、Nano Today、IEEE EDL、IEEE TED等期刊發(fā)表論文100余篇，被引用8000余次，H-因子48，獲授權(quán)中國與美國發(fā)明專利20余項。

引用信息：

Guanglong Ding,?Su-Ting?Han,Vellaisamy A. L. Roy, Chi-Ching Kuo, Ye Zhou, “Triboelectric nanogenerator for neuromorphic electronics”,?Energy Reviews,?2023,?2(1): 100014

???《Energy Reviews》是由深圳大學(xué)主辦，聯(lián)合 Elsevier出版集團(tuán)創(chuàng)辦的一本國際性、跨學(xué)科、高質(zhì)量開放獲取?(Open Access)?學(xué)術(shù)期刊，由謝和平院士擔(dān)任創(chuàng)刊主編，美國工程院Derek Elsworth院士、中國科學(xué)院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大學(xué)倪萌教授擔(dān)任聯(lián)合主編。發(fā)表能源領(lǐng)域前沿方向、最新進(jìn)展、發(fā)展趨勢、權(quán)威觀點等高質(zhì)量學(xué)術(shù)文章，構(gòu)建全球能源一流成果和一流學(xué)者的合作交流平臺，向公眾傳播有影響力的能源領(lǐng)域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理論、新方法和新技術(shù);?能源研究的多學(xué)科（材料、物理、化學(xué)、生物等）交叉融合探索技術(shù);?化石能源低碳利用與CCUS;?氫能、可再生能源與儲能先進(jìn)技術(shù);?新型能源轉(zhuǎn)換方式探索與應(yīng)用;??能源領(lǐng)域現(xiàn)代信息技術(shù)（人工智能，大數(shù)據(jù)）等相關(guān)方向的優(yōu)質(zhì)稿件。

"關(guān)注前沿 | 引領(lǐng)趨勢"