【背景介紹】
當前，劉明料牛人類社會正由信息化向智能化演進。院士憶阻智能化社會需要高效智能的等人信息感知系統對感知到的海量信息進行有效的甄別、處理并作出決策，基于經系對于重復無意義的習慣性感信息進行有效的過濾。在生物體中，受神感受神經系統（SNS）是統材構建生物體與外界環境交互的基本信息感知系統。首先外部信息被各種受體（觸覺、劉明料牛視覺、院士憶阻嗅覺等）感知，等人然后傳遞到大腦并進行處理，基于經系最后執行對外部信息的習慣性感相應性響應。 然而，受神在所處環境中SNS會接收各種重復無意義的統材刺激，因此生物體要能夠區分哪些刺激是劉明料牛需要注意的，哪些刺激是重復無意義的而不需有反應。在SNS中，對于重復無意義信號的過濾主要是基于習慣化這一基本功能。習慣化簡要定義是對相同重復刺激的反應減弱。因此，基于生物感受神經系統的功能特性構建具備生物現實性的高效智能信息感知系統將將極大提高其信息處理能力。
【成果簡介】
近日，中國科學院微電子研究所劉明院士團隊報道了基于憶阻器構建具備習慣化特性的人工感受神經系統的實現方案，并利用習慣化這一生物學習規則構建了可應用于機器人自主巡航避障的習慣化脈沖神經網絡。首先，該研究團隊基于Mott憶阻器和傳感器構建了感受神經元，該神經元能夠感知外界的模擬信號并轉化成實時的動態脈沖信號，實現了對外界信號進行感知并傳輸的基本功能。隨后，感受神經元進一步通過突觸器件（TiN/LixSiOy/Pt）與中繼神經元相連接構建了習慣化感知系統。該突觸器件具有連續刺激下權值的習慣化演進趨勢，進而影響感受神經元信號傳輸到中繼神經元的效率，使得中繼神經元的輸出呈現頻率下降特性（即，習慣化特性）。基于這一習慣化特性，團隊成員進一步構建習慣化脈沖神經網絡用于機器人避障功能的實現。結果顯示，基于習慣化的學習規則，所構建憶阻器基人工感受神經系統能夠有效的提升機器人的避障效率。該工作成果以題為“A Habituation Sensory Nervous System with Memristors”發表在Adv. Mater.期刊上，中國科學院微電子研究所博士生吳祖恒、盧吉凱為共同第一作者，劉琦研究員為通訊作者，該工作得到了科技部、基金委、中科院和之江實驗室的項目支持。
【圖文解讀】
圖一、SNS的示意圖
（a）生物SNS結構圖；
（b）在相同重復刺激下，SNS中的響應趨勢示意圖；
（c）憶阻器基人工SNS電路。
圖二、人工突觸器件的特性
（a-b）在100 μA和500 μA的Icc下器件的典型I-V曲線；
（c）器件橫截面的線掃描EDS結果；
（d）i）器件的橫截面HRTEM圖像、ii）放大的導電細絲區域以及iii）導電細絲區域相應的FFT圖像；
（e）導電細絲區域的線掃描EDS結果；
（f）在不同Icc下，器件的轉變機制示意圖。
圖三、在ms級刺激序列下，突觸器件的習慣化
（a-c）突觸器件在1 kHz、333.3 Hz和200 Hz脈沖刺激序列下的實時響應電流；
（d）器件在不同頻率脈沖刺激序列下，開始習慣化所需的脈沖刺激個數的統計。
圖四、基于憶阻器的習慣化SNS
（a）SNS的示意圖；
（b）在連續輸入下，中繼神經元的響應；
（c）習慣化SNS在連續重復刺激下的響應。
圖五、HSNN用于機器人導航中的避障
（a）HSNN的示意圖；
（b）基于習慣化學習規則的機器人避障流程圖；
（c）連續兩次檢測到障礙信息情況下，SNS相關參數的演變；
（d）機器人在習慣化機制及非習慣化機制下避障的路徑圖。
【小結】
綜上所述，作者首次展示了基于憶阻器構建的具備習慣化特性的SNS。該SNS由具有習慣化特性的憶阻器基突觸和憶阻器基LIF神經元電路構成，能夠對重復刺激呈現具備習慣化特征的脈沖響應。最后，作者基于SNS的實驗結果構建了HSNN，并在機器人導航避障場景中展示了習慣化的功能。結果顯示，基于習慣化的學習規則，所構建憶阻器基人工感受神經系統能夠有效的提升機器人的避障效率。
文獻鏈接：A Habituation Sensory Nervous System with Memristors.（Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.202004398）
通訊作者簡介
劉琦，復旦大學微電子學院、芯片與系統前沿技術研究院，教授，博導，杰青。2010年10月至2020年4月在中國科學院微電子研究所工作，2020年5月調入復旦大學。主要研究方向包括新型非易失存儲技術，神經形態器件和類腦計算等。主持了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委杰青、優青、重點等項目。曾獲國家自然科學二等獎1項（排序2）、中國電子學會科學技術一等獎1項（排序2）、中國科學院青年科學家獎等。在Nat. Nano.、Nat. Electron.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、IEEE EDL等期刊發表SCI論文100余篇，SCI他引6000多次，獲得授權中國發明專利51項，美國發明專利6項。
本文由CQR編譯。
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