CN112850635A - 人工传入神经、仿生感知系统和人工传入神经的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人工传入神经、仿生感知系统和人工传入神经的制备方法，该人工传入神经包括：柔性衬底载体；设置于所述柔性衬底载体一侧的传感器、数模转换模块以及人工突触器件；所述传感器用于感知环境信息，并将感知的所述环境信息转换为模拟信号；所述数模转换模块用于将所述模拟信号转换为数字信号；所述人工突触器件用于将所述数字信号转换为仿生物神经信号。本发明实施例提供的技术方案，可实现面向仿生感知系统的人工传入神经的构建和性能的调控；从而实现如嗅觉、触觉、听觉等神经感知信号与生物体信号的互联。

Description

人工传入神经、仿生感知系统和人工传入神经的制备方法

技术领域

本发明实施例涉及仿生感知系统技术领域，尤其涉及一种人工传入神经、仿生感知系统和人工传入神经的制备方法。

背景技术

生物体的感知系统主要由感受器和生物神经组成，因此，仿生感知系统可以由传感器和能使电子信号与生物神经信号兼容的仿生人工突触(也可称为“仿生人工突触器件”或“人工突触器件”)以及一些辅助器件构成。目前，传感器的研究已经取得了重要进展，其检测范围和灵敏度甚至超过了人体感知的极限。突触和神经元是构成生物神经系统的基本生物单元，在信息的传递、处理等方面起着重要作用。基于生物神经系统的仿生人工突触具有结构上大规模并行和功能上高度可塑性的特点，能够高效处理复杂的信息，在神经计算、仿生感知等领域有着重要应用。

根据第二次全国残疾人抽样调查结果，全国残疾人总数已经达到了8502万人。虽然，随着医学的发展，自体的修复和异体移植技术可以为患者重建部分功能；但是，由于免疫排斥、高昂的医疗费等原因，残疾人群的治疗和康复仍是家庭和社会的重大问题；此外，使用电子元件构建智能感知系统，对为仿生机器人提供类生命感知功能，实现从仿生到类生命的跨越，具有重要的科学意义和社会价值。

发明内容

本发明实施例提供一种人工传入神经、仿生感知系统和人工传入神经的制备方法，以实现面向仿生感知系统的人工传入神经的构建和性能的调控；从而实现如嗅觉、触觉、听觉等神经感知信号与生物体信号的互联。

本发明实施例提出一种人工传入神经，该人工传入神经包括：

柔性衬底载体；

设置于所述柔性衬底载体一侧的传感器、数模转换模块以及人工突触器件；

所述传感器用于感知环境信息，并将感知的所述环境信息转换为模拟信号；

所述数模转换模块用于将所述模拟信号转换为数字信号；

所述人工突触器件用于将所述数字信号转换为仿生物神经信号。

在一实施例中，所述柔性衬底载体为柔性聚合物衬底、柔性可拉伸衬底或生物衬底。

在一实施例中，所述传感器为柔性传感器或者MEMS传感器。

在一实施例中，所述数模转换模块为柔性振荡器或者集成电路芯片。

在一实施例中，所述人工突触器件包括忆阻器或者晶体管。

在一实施例中，所述晶体管的有源层包括具有光电性质的半导体。

在一实施例中，所述传感器与所述人工突触器件一一对应设置，且呈阵列排布。

本发明实施例还提供了一种仿生感知系统，该仿生感知系统包括上述任一种人工传入神经。

本发明实施例还提供了一种人工传入神经的制备方法，该制备方法用于形成上述任一种人工传入神经，该制备方法包括：

提供硬质衬底；

在所述硬质衬底一侧形成柔性衬底载体；

在所述柔性衬底载体背离所述硬质衬底的一侧形成所述传感器、所述数模转换模块以及所述人工突触器件；

分离所述柔性衬底载体与所述硬质衬底。

本发明实施例还提供了一种人工传入神经的制备方法，该制备方法用于形成上述任一种人工传入神经，该制备方法包括：

提供硬质衬底；

在所述硬质衬底一侧形成柔性衬底载体；

形成所述传感器、所述数模转换模块以及所述人工突触器件；

将所述传感器、所述数模转换模块以及所述人工突触器件键合至所述柔性衬底载体的连接线路中；

分离所述柔性衬底载体和所述硬质衬底。

本发明实施例提供的人工传入神经，通过设置柔性衬底载体；柔性衬底载体一侧设置传感器、数模转换模块以及人工突触器件；传感器用于感知环境信息，并将感知的环境信息转换为模拟信号；数模转换模块用于将模拟信号转换为数字信号；人工突触器件用于将数字信号转换为仿生物神经信号，可实现面向仿生感知系统的人工传入神经的构建和性能的调控；从而实现如嗅觉、触觉、听觉等神经感知信号与生物体信号的互联。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种人工传入神经的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种人工传入神经的工作原理示意图；

图3是本发明实施例提供的一种人工传入神经的制备方法的流程示意图；

图4是本发明实施例提供的另一种人工传入神经的制备方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

相关技术中，传感器的性能已经能满足仿生感知系统的构建需求。但是，仿生人工突触器件的研究正处于起步阶段，器件结构、性能和稳定性等方面的优化和提升仍有待挖掘，尤其是对多栅极树突结构器件和器件互联问题的研究，这对构建仿生感知系统提出了一定挑战。此外，为了与皮肤等柔性系统具有较好的兼容性，使人工突触器件具有更广的应用场景，需要对人工突触器件的柔性化制备方法进行研究，使用具有良好柔性/延展性的柔性衬底替代传统硅基的微电子技术则顺应了这一新兴发展方向，有助于实现器件的柔性化、微型化、高密度。因此，开发与柔性器件兼容的柔性微电子技术，开展仿生突触器件的制备与性能调控研究，实现从传感器信号与生物神经信号的互联对面向类生物感知系统的人工传入神经的构建具有重要意义。

本发明实施例提供的人工传入神经用于仿生感知系统，示例性的，适用于解决传感器信号与生物神经信号的互联与兼容问题以及相关器件的制备与性能调控方法。具体的，针对在医疗康复和类生命人机交互领域的需求，本发明实施例提供了一种面向类生物感知系统(即仿生感知系统)的人工传入神经及其制备方法。通过传感器类型的选择、人工突触器件性能的调控，实现如嗅觉、触觉、听觉等神经感知信号与生物体信号的互联。

参照图1和图2，该人工传入神经10包括：柔性衬底载体(图1中未示出)；设置于柔性衬底载体一侧的传感器110、数模转换模块120以及人工突触器件130；传感器110用于感知环境信息，并将感知的环境信息转换为模拟信号；数模转换模块120用于将模拟信号转换为数字信号；人工突触器件130用于将数字信号转换为仿生物神经信号。

其中，环境信息(如图1中示出的刺激信号)可包括声音信息、气体信息(或称气味信息)、光信息、压力信息、磁场信息、电厂信息以及本领域技术人员可知的其他类型的环境信息，本发明实施例对此不作限定。

其中，模拟信号可理解为连续信号，数字信号可理解为脉冲信号；仿生物神经信号也可称为类生物神经信号，是指利用该人工传入神经10所模仿的生物体突触结构末端的神经信号。

本发明实施例提供的人工传入神经10中，通过对传感器110的种类的选择、对人工突触器件130的仿神经突触性质的调节，如脉冲时间依赖短程可塑性、脉冲时间依赖长程可塑性或本领域技术人员可知的其他突触特质，实现面向生物感知系统(嗅觉、触觉等)的人工传入神经10的构建及其性能的调控。

示例性的，以视觉感知系统为例，传感器110可为光电传感器。刺激信号可为光信号，光电传感器将光信号转换为连续的电信号，数模转换模块120将连续的电信号转换为数字脉冲信号，人工突触器件130将数字脉冲信号转换为类生物神经信号，从而实现模拟生物的传入神经对环境信息的响应过程。

在一实施例中，柔性衬底载体为柔性聚合物衬底、柔性可拉伸衬底或生物衬底。

如此设置，便于实现人工传入神经10的多种规则形态或者不规则形态的设计，将其应用于医疗康复领域时，便于将人工传入神经与生物体表面紧密贴合。

其中，柔性聚合物衬底的材料可为聚酰亚胺(Polyimide，PI)，柔性可拉伸衬底的材料可为聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,vinylalcohol polymer,PVA)、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)或eco-flex，生物衬底的材料可为天然生物材料。

在其他实施方式中，柔性衬底载体的材料还可为本领域技术人员可知的其他柔性材料，本发明实施例对此不赘述也不作限定。

在一实施例中，传感器110为柔性传感器或者MEMS传感器。

其中，柔性传感器为柔性可拉伸传感器，可为压力传感器；MEMS传感器可为基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System)，MEMS工艺形成的微纳传感器，可为气体传感器，可用于检测酒精、氨气等气体。

在其他实施方式中，传感器110还可为压敏传感器、光敏传感器、声敏传感器或本领域技术人员可知的其他类型的传感器，可根据人工传入神经10的需求设置，本发明实施例对此不作限定。

在其他实施方式中，还可将传感器与一分压电阻串联，以调节输出至数模转换模块120的信号。

本领域技术人员可理解，传感器110的传感检测范围接近人体感知范围。

示例性的，传感器110对声音的频率感知范围在20Hz-20000Hz，对光线的波长感知范围在400nm到700nm。

在一实施例中，数模转换模块120为柔性振荡器或者集成电路芯片。

其中，柔性振荡器可以实现由传感器电容、电阻的改变来控制其脉冲频率和幅值，其频率在1-50Hz。示例性的，柔性振荡器可处理与电阻呈负相关特征的模拟信号，例如，与力或磁相关的信号。

其中，集成电路(Integrated circuit，IC)芯片可处理与电阻呈正相关特征的模拟信号，也可以处理与电阻呈负相关特征的模拟信号，后者例如与气体相关的信号。

在一实施例中，人工突触器件130包括忆阻器或者晶体管。

其中，人工突触器件130可选自基于忆阻器和晶体管结构的任意一种，晶体管结构器件包括树突结构和其他变形结构。

示例性的，基于晶体管结构的人工突触器件130，能够实现多端的信号输入，可模拟类似于神经元之间的树突结构连接方式；在对电荷捕获过程中的弛豫时间不同可模拟短期和长期突触可塑性。

在其他实施方式中，人工突触器件130还可包括本领域技术人员可知的其他电路元件，本发明实施例对此不赘述也不作限定。

在一实施例中，晶体管的有源层包括具有光电性质的半导体。

即，可采用具有光电性质的半导体作为人工突触器件130中晶体管的有源层；如此，可利用单个人工突触器件130实现光电双模态调控，从而可提高器件集成度，利于人工传入神经10的集成化和小型化设计。

本文中的“具有光电性质”可理解为即可光控，又可电控。

在一实施例中，传感器与人工突触器件一一对应设置，且呈阵列排布。

如此设置，有利于实现人工传入神经10的高密度和微型化设计。在此基础上，结合神经网络算法，可实现对环境信息的识别。

如此，本发明实施例提供的人工传入神经10，可实现环境信息至传感器信号，以及传感器信号与生物神经信号的互联，依次构建的人工传入神经，为仿生感知系统提供了应用前景。

示例性的，以上文中的视觉感知系统为例，人工传入神经10可包括光电传感器及相关辅助电路(例如分压电路等)、柔性振荡器、人工突触器件以及柔性衬底载体。其中，可采用可见光范围响应的光电传感器与分压电阻串联实现对输出至柔性振荡器的信号的调节；柔性衬底载体可采用聚酰亚胺薄膜，柔性振荡器为聚酰亚胺衬底上的柔性电路，频率范围为1-50Hz且可实现与柔性载体的兼容，人工突触器件为忆阻器结构人工突触器件。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种人工传入神经的制备方法，该制备方法可用于形成上述实施方式提供的任一种人工传入神经。因此，该制备方法也具有上述实施方式中的人工传入神经所具有的技术效果，相同之处可参照上文对人工传入神经的解释说明进行理解，下文中不赘述。

示例性的，可参照图3，该人工传入神经的制备方法可包括：

S310、提供硬质衬底。

其中，硬质衬底起到支撑作用，为后续形成柔性衬底载体作准备。示例性的，硬质衬底可为玻璃衬底或本领域技术人员可知的其他材质的衬底，本发明实施例对此不赘述也不作限定。

S320、在硬质衬底一侧形成柔性衬底载体。

其中，可选用旋涂预制溶液并固化的方式形成柔性衬底载体。示例性的，可在硬质衬底上旋涂合适粘度的聚酰亚胺薄膜，使得固化后的聚酰亚胺薄膜厚度在10μm-20μm。本段中的“合适粘度”是指可实现聚酰亚胺薄膜的厚度范围在10μm-20μm内的粘度。

S330、在柔性衬底载体背离硬质衬底的一侧形成传感器、数模转换模块以及人工突触器件。

其中，可根据感知功能的需求，分别形成对应的传感器、振荡器和人工突触器件。

示例性的，为了实现感知力的需求，可形成压力传感器、柔性振荡器和人工突触器件；为了实现感知磁的需求，可形成电磁传感器、柔性振荡器和人工突触器件。

S340、分离柔性衬底载体与硬质衬底。

其中，分离方式可为本领域技术人员可知的任何方式，本发明实施例对此不赘述也不作限定。

至此，实现柔性人工传入神经的制备。

需要说明的是，图3示出的人工传入神经的制备方法中，可直接在柔性衬底载体上形成传感器、数模转换模块和人工突触器件。在其他实施方式中，还可以分别独立的形成传感器、数模转换模块和人工突触器件，再将其键合至柔性衬底载体的连接线路中。

示例性的，可参照图4，该人工传入神经的制备方法可包括：

S410、提供硬质衬底。

S420、在硬质衬底一侧形成柔性衬底载体。

S430、形成传感器、数模转换模块以及人工突触器件。

其中，可根据感知功能的需求，分别形成对应的传感器、振荡器和人工突触器件。示例性的，为了实现感知气体的需求，可形成气敏传感器、IC芯片和人工突触器件。

该步骤与图3中的S330的区别在于：该步骤中的传感器、数模转换模块以及人工突触器件独立形成，而非直接形成在柔性衬底载体上。

S440、将传感器、数模转换模块以及人工突触器件键合至柔性衬底载体的连接线路中。

其中，柔性衬底载体上制备有电连接电路和引线电极，即连接线路。可选用本领域技术人员可知的任一种键合工艺实现该步骤。

S450、分离柔性衬底载体和硬质衬底。

至此，实现柔性人工传入神经的制备。

在其他实施方式中，还可根据人工传入神经的制备方法的需求设置：传感器、数模转换模块以及人工突触器件中的一种电路元件或多种电路元件可直接形成在柔性衬底载体上；其余电路元件采用键合方式电连接至柔性衬底载体的连接线路中，本发明实施例对此不作限定。

本发明实施例提供的所形成的人工传入神经，可将传感器信号转换为类生物神经信号，表明本实施例所制备系统在面向类生物感知系统的人工传入神经具有潜在应用。

在上述实施方式的基础上，本发明实施例还提供了一种仿生感知系统，该仿生感知系统可包括上述实施方式提供的任一种人工传入神经。因此，该仿生感知系统也具有上述实施方式提供的人工传入神经所具有的技术效果，相同之处可参照上文中对人工传入神经的解释说明进行理解，下文中不再赘述。

示例性的，该仿生感知系统可用于医疗康复领域或者类生命人机交互领域。本领域技术人员可理解，该仿生感知系统还可包括本领域技术人员可知的其他结构部件，本发明实施例对此不赘述也不作限定。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种人工传入神经，其特征在于，包括：

柔性衬底载体；

设置于所述柔性衬底载体一侧的传感器、数模转换模块以及人工突触器件；

所述传感器用于感知环境信息，并将感知的所述环境信息转换为模拟信号；

所述数模转换模块用于将所述模拟信号转换为数字信号；

所述人工突触器件用于将所述数字信号转换为仿生物神经信号。

2.根据权利要求1所述的人工传入神经，其特征在于：所述柔性衬底载体为柔性聚合物衬底、柔性可拉伸衬底或生物衬底。

3.根据权利要求1所述的人工传入神经，其特征在于，所述传感器为柔性传感器或者MEMS传感器。

4.根据权利要求1所述的人工传入神经，其特征在于，所述数模转换模块为柔性振荡器或者集成电路芯片。

5.根据权利要求1所述的人工传入神经，其特征在于，所述人工突触器件包括忆阻器或者晶体管。

6.根据权利要求5所述的人工传入神经，其特征在于，所述晶体管的有源层包括具有光电性质的半导体。

7.根据权利要求1所述的人工传入神经，其特征在于，所述传感器与所述人工突触器件一一对应设置，且呈阵列排布。

8.一种仿生感知系统，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的人工传入神经。

9.一种人工传入神经的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于形成权利要求1-7任一项所述的人工传入神经；所述制备方法包括：

提供硬质衬底；

在所述硬质衬底一侧形成柔性衬底载体；

在所述柔性衬底载体背离所述硬质衬底的一侧形成所述传感器、所述数模转换模块以及所述人工突触器件；

分离所述柔性衬底载体与所述硬质衬底。

10.一种人工传入神经的制备方法，其特征在于，所述制备方法用于形成权利要求1-7任一项所述的人工传入神经；所述制备方法包括：

提供硬质衬底；

在所述硬质衬底一侧形成柔性衬底载体；

形成所述传感器、所述数模转换模块以及所述人工突触器件；

将所述传感器、所述数模转换模块以及所述人工突触器件键合至所述柔性衬底载体的连接线路中；

分离所述柔性衬底载体和所述硬质衬底。

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