人機(jī)交互(human-machine interaction，HMI)技術(shù)通過(guò)界面設(shè)備實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間的通信，被廣泛應(yīng)用于智慧醫(yī)療、機(jī)器感知等領(lǐng)域。隨著人工智能的興起，人們希望構(gòu)建可理解和響應(yīng)人類意圖的智能系統(tǒng)，進(jìn)一步提升人機(jī)交互體驗(yàn)。神經(jīng)形態(tài)納米離子器件依賴電場(chǎng)作用下離子的重新分布來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的電導(dǎo)調(diào)制，與生物神經(jīng)系統(tǒng)通過(guò)離子輸運(yùn)傳遞與處理信號(hào)具有高度相似性，在構(gòu)建神經(jīng)形態(tài)硬件系統(tǒng)方面扮演關(guān)鍵角色。該類器件具有并行處理、自適應(yīng)學(xué)習(xí)、事件驅(qū)動(dòng)和高效處理海量數(shù)據(jù)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。依靠離子驅(qū)動(dòng)的電導(dǎo)轉(zhuǎn)換行為，該類器件可以高度仿生生物神經(jīng)系統(tǒng)的信息處理功能，如突觸可塑性和神經(jīng)元放電等，從而能夠執(zhí)行學(xué)習(xí)、記憶、識(shí)別和決策等認(rèn)知任務(wù)。將神經(jīng)形態(tài)納米離子器件融入到HMI技術(shù)中，不僅能夠突破傳統(tǒng)電子設(shè)備的限制，而且可為新型生物接口的發(fā)展提供了契機(jī)，有望實(shí)現(xiàn)全新的HMI交互模式。
 

　　近日，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊(duì)在Advanced Materials期刊上發(fā)表了題為“Neuromorphic Nanoionics for Human-Machine Interaction: From Materials to Applications”的綜述文章(DOI: 10.1002/adma.202311472)，回顧了神經(jīng)形態(tài)納米離子器件的研究進(jìn)展，并強(qiáng)調(diào)了其在推動(dòng)和促進(jìn)人機(jī)交互領(lǐng)域發(fā)展方面的巨大潛力。論文首先解釋了納米離子憶阻器和柵控晶體管的基本機(jī)制和行為，強(qiáng)調(diào)了離子遷移在器件工作過(guò)程中發(fā)揮的重要作用，介紹了基于器件模擬的學(xué)習(xí)、記憶、編碼、識(shí)別和時(shí)空信號(hào)處理等神經(jīng)形態(tài)功能，并對(duì)器件可靠性、能源效率、柔性及生物相容性等關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了評(píng)估。而后深入探討了神經(jīng)形態(tài)納米離子器件在可穿戴電子設(shè)備、機(jī)器感知、醫(yī)療診斷及腦機(jī)接口等新興人機(jī)交互領(lǐng)域的最新進(jìn)展，展現(xiàn)了該器件的應(yīng)用潛力。最后對(duì)神經(jīng)形態(tài)納米離子器件的未來(lái)進(jìn)行了展望，探討了其在下一代人機(jī)交互技術(shù)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)。作者指出，未來(lái)發(fā)展需要進(jìn)一步探索新型離子材料和器件以模擬神經(jīng)元、突觸更為豐富的離子過(guò)程和功能，應(yīng)注重實(shí)時(shí)響應(yīng)性和可靠性以及系統(tǒng)整體集成，以推動(dòng)實(shí)際應(yīng)用。
 

　　寧波材料所博士研究生劉雪蓉、博士后孫翠、博士后葉曉羽為論文第一作者，寧波材料所朱小健研究員、阿爾托大學(xué)(芬蘭)檀洪偉研究員、寧波材料所李潤(rùn)偉研究員為論文通訊作者，本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金(62174164、U23A20568、U22A2075)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2021YFA1202600)、浙江省自然科學(xué)基金(LDQ23E020001)、中國(guó)科學(xué)院上海分院人才計(jì)劃(CASSHB-QNPD-2023-022)、寧波市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2022A-007-C)、寧波市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2023Z021)等項(xiàng)目的支持。
 

圖1 面向人機(jī)交互的神經(jīng)形態(tài)納米離子學(xué)技術(shù)