综述：人工神经系统

本综述系统阐述了人工神经系统（ANS）的最新进展，涵盖从突触器件（如ECM、VCM、PCM、FeM、FGT、EDLT、ECT、FeFET）的基础结构与机制，到仿生人工神经系统的构建与应用。文章重点探讨了其在多模态感知（触觉、视觉、听觉、味觉、嗅觉）、神经形态计算、感觉运动功能重建以及生物接口（如神经义肢、软体机器人）等领域的突破性价值与未来挑战，为相关领域的研究者提供了全面的参考。

　　

2 生物神经系统与突触

人类的神经系统由中枢神经系统（CNS）和周围神经系统（PNS）构成。CNS负责信息的传输、存储与处理，是记忆的神经基础；PNS则负责连接外周感受器与CNS，并传递处理后的信息以控制肌肉运动。在完整的反射系统中，外部刺激首先由感觉系统预处理，随后被编码并传递至大脑，最终通过运动神经控制效应器完成特定动作。在此过程中，神经元作为基本构建块，突触则是信息传递的桥梁，其通过改变连接强度（突触权重）来实现可塑性，这是学习与记忆的基础。突触可塑性可分为短时程可塑性（STP）和长时程可塑性（LTP），并能通过改变刺激频率和时长实现切换。此外，生物突触还表现出关联学习、脉冲频率依赖可塑性（SFDP）、脉冲时序依赖可塑性（STDP）等多种形式，这些是大脑实现信息感知、认知、转换与传输的基础。

3 人工突触器件

神经形态电子器件旨在构建结构与功能类似于生物神经网络的电子设备。作为其典型代表，人工突触器件因其在不同电压刺激模式下呈现非线性电导调制特性，在信息传输与处理方面展现出显著优势。从其工作机制宏观来看，突触器件主要通过离子迁移、电子迁移和相变引起电阻或电导变化，进而产生记忆效应。从结构角度，目前研究最为广泛的是两端忆阻器和三端晶体管。

两端突触器件通常包含顶电极和底电极，中间为功能层，其工作机制主要分为电化学金属化机制（ECM）、价态变化机制（VCM）、相变机制（PCM）和铁电机制（FeM）。ECM器件依靠金属离子在电压作用下的迁移和氧化还原反应，通常采用“活性电极/固体电解质/惰性电极”结构，功能层可采用Ag₂S、ZnO、Cu₂S等材料。VCM器件依赖于阳离子价态变化和氧阴离子的迁移，功能层可采用P(VDF-TrFE)、PEDOT:PSS、PMMA、HfO_x、MoS_2?xO_x、MoS₂等。PCM器件通过焦耳加热过程实现非晶态与晶态之间的可逆相变，功能层材料包括Ge₂Sb₂Te₅、GeTe、Si–Sb–Te、NiO_x、SrFeO_x等。FeM器件则利用铁电材料在外加电场下的自发极化反转，功能层常采用BiFeO₃、PVDF及其共聚物P(VDF-TrFE)、PZT、Hf_0.5Zr_0.5O₂（HZO）等。

三端突触器件通常包含源/漏电极、栅极和沟道层，其突触权重由栅极独立调控，信息通过沟道层传输，因此能同时实现信号调制、处理与传输。其主要可分为浮栅晶体管（FGT）、双电层晶体管（EDLT）、电化学晶体管（ECT）和铁电场效应晶体管（FeFET）。FGT器件中的电子电荷在栅压调控下因量子隧穿效应迁移至浮栅并被捕获；EDLT器件主要依靠栅压作用下栅介质层和沟道层中的离子迁移，通过界面双电层效应模拟突触可塑性；ECT器件的突触功能主要通过栅介质和具有氧化还原特性的沟道中的离子迁移实现；FeFET器件则通过改变铁电材料的极化状态来调制沟道载流子，从而模拟突触可塑性。

突触器件的关键材料主要包括栅介质和沟道层。栅介质材料主要有聚合物电解质、无机固体电解质、离子液体和离子凝胶。沟道层材料则分为有机和无机半导体。有机材料包括小分子化合物（并五苯、酞菁铜等）和聚合物（P3HT、PEDOT:PSS等）；无机半导体（如Si、Ge）虽迁移率高但多为刚性；近年来，一些低维无机半导体材料（如ZnO纳米线、SnO₂纳米线、石墨烯、石墨炔、二硫化钼等）被用于制备柔性人工突触器件。

4 人工神经系统

4.1 人工触觉神经系统

触觉是人类最早发育、最基础且最广泛复杂的感觉系统。生物触觉感知主要由分布于皮肤中的神经细胞完成，它们接收来自外界环境的压力、振动和温度等刺激。受体在这一过程中占主导地位，能将施加于皮肤表面的外部刺激转化为电脉冲。

受此启发，研究人员通过不同的设计策略和制备技术，开发了众多柔性仿生传感器。根据工作机制，触觉传感器可分为电阻式、电容式、压电式和摩擦电式。电阻式柔性压力传感器测量其在压力下变形时的电阻变化，其性能提升通常从材料选择和微结构设计两方面考虑。电容式柔性压力传感器因其动态响应性、稳定性、耐久性、高灵敏度和高分辨率而受到广泛研究。压电式柔性压力传感器主要基于压电效应工作，其优点在于自供能。摩擦电式压力传感器基于摩擦起电原理，其中摩擦纳米发电机（TENG）作为典型代表，因其能高效产生能量，有望成为可穿戴电子设备的电源。

在实现传感功能后，研究者致力于构建具有“自主意识”的触觉传感系统。例如，首个基于柔性有机电子器件的高灵敏度人工触觉神经系统，将压阻传感器、人工突触器件和生物肢体有机结合，成功用于感知物体运动、识别盲文以及与昆虫腿神经通路集成以实现混合反射弧。此后，研究进一步改善了系统性能，如利用具有微结构纹理的PDMS压力传感器模仿皮肤机械感受器，并采用离子电子壳聚糖门控氧化物神经形态器件作为信息处理组件，构建了能实现触觉-伤害性联合感知的人工触觉传感系统。结合纳米发电机与突触器件，开发了自供电人工触觉神经系统，可将外部接触/摩擦刺激转化为电信号，实现被动传感和自供能特性。受生物反射系统结构启发，还构建了包含压力传感器、阈值控制单元（TCU）和人工肌肉的人工反射弧，通过精确调制TCU的离子传输阈值，成功模拟了膝跳反射的“全或无”响应机制。

4.2 人工视觉神经系统

视觉是人类感知和处理外部信息中起重要作用的感觉模态之一。视觉系统是所有生物感觉神经系统中最高级、功能最复杂的系统，能够高效处理光学信息、感知复杂的三维场景和物体、理解错综复杂的环境并识别所有物体。

受生物视觉感知的启发，研究人员通过不同的结构设计和加工技术，构建了能够实现光学信息感知的柔性光电探测器（PD），通过将光信号转换为电信号来实现光子与电子的关联。目前的PD研究主要集中于合成新型光活性材料、优化器件结构、探索新的光敏机制以及提出不同的加工技术。根据结构和工作原理，目前的PD可分为三种类型：光导型、光电晶体管型和光电二极管型。光导型和光电晶体管是水平结构，而光电二极管是垂直结构。

为了模拟集传感与计算功能于一体的视觉系统，需要不同级别的光响应信号记忆来实现完整的神经形态识别和记忆处理功能。因此，研究人员正在开发具有光传感和响应功能的神经形态器件和系统，以实现复杂的生物视觉行为。例如，构建了受生物启发的视觉感知与存储系统，集成了光学传感器阵列和突触器件阵列，能够同时感知和存储外部图像。在人工视觉感知神经元系统领域，构建了集成光探测器、可拉伸突触器件、电路网络和人工肌肉的人工视觉传感器-运动神经系统。还开发了基于钙钛矿的光电突触器件，同时实现兴奋性和抑制性突触功能，表现出对多个波长光刺激的 distinct 响应，并构建了人工瞳孔反射弧系统，成功模拟了肌肉控制的自适应瞳孔反射。

4.3 人工听觉神经系统

人类听觉神经的功能主要包括声音寻址与定位、语言辨别与识别、听觉记忆与学习以及噪声损伤时的听力保护。

受人类听觉传导机制的启发，研究人员开发了用于声音检测的人工神经形态听觉通路。该系统由一个摩擦电TENG和一个人工突触器件组成。声学受体使用柔性TENG仿生实现，飞秒激光加工增强了其工作带宽和灵敏度。TENG同时作为系统的自供能单元。信号处理通过模拟听觉突触可塑性的电解质门控突触器件实现。该听觉神经系统集成了双人工声学受体和突触器件，可通过耳间时间差检测实现声音定位。

此外，还有研究开发了采用MEMS传感器将声学信号转换为电输出的神经形态听觉系统，这些电信号被放大并编码成调频方波来驱动离子门控突触器件。该系统实现了整个音频频谱的突触可塑性响应。另一种自供电神经形态听觉感知系统，结合了仿耳蜗静电纺微锥TENG和多孔SiO₂门控质子突触器件，利用双耳强度差和时间差协同处理的时空融合算法，成功实现了声源定位微小误差的实时感知能力。

4.4 人工味觉神经系统

味觉系统能够检测和记忆化学味觉刺激，并在摄入有害物质时触发紧急响应，这些功能有助于摄入适当类型和数量的营养素，在维持人类健康方面发挥着至关重要的作用。

受生物味觉系统操作原理的启发，电子舌（e-tongues）已被成功开发用于检测味觉类别和浓度。然而，传统的实现通常需要复杂的电路进行多变量分析。因此，正在广泛研究集成内存和计算架构的神经形态器件以构建下一代味觉传感系统。

例如，由化学传感器和浮栅突触器件组成的人工味觉神经元，能够实现酸/盐辨别。该系统通过化学电转导对酸性和咸味溶液进行分类。化学传感器检测分析物浓度，浮栅突触器件将刺激编码成脉冲序列，通过脉冲神经网络（SNNs）进行处理。这种神经形态方法降低了硬件复杂性和能耗。还构建了一个完整的人工神经形态味觉系统，通过集成凝胶传感器、SnO₂纳米线突触和效应器执行单元，实现了更短的响应延迟、更长的味觉记忆保留和更宽的浓度检测范围。

4.5 人工嗅觉神经系统

与味觉相比，哺乳动物的嗅觉系统通过对挥发性有机化合物的组合编码，实现了更高维度的感官感知。

受生物嗅觉处理机制的启发，电子鼻已被开发用于气味检测。传统的气味传感器存在体积大、便携性有限以及因目标气体化学成分快速变化而导致可靠性受损的问题。因此，人们探索了各种新型气敏检测器件。根据信号转换原理，当前的气体传感器可分为电化学型、光学型、声学型、热学型和半导体型。半导体传感器因其简单性、便携性、与标准电子器件的兼容性、连续监测能力和无线传输潜力而被广泛研究。其传感材料包括金属氧化物半导体（MOS）、导电聚合物、碳纳米管（CNTs）和二维材料等。

通过模仿生物嗅觉系统处理气味的方式，研究人员开发了具有NO₂检测和记忆功能的神经形态突触器件。此外，还开发了由半导体金属氧化物气体传感器（SnO₂/WO₃）和金属氧化物半导体突触器件组成的嗅觉神经元。还开发了在PI基底上的柔性人工突触神经元，模拟兴奋性/抑制性神经递质动力学。还有研究制造了使用聚（二酮吡咯并吡咯-硒吩）（PTDPPSe-5Si）作为沟道层的气敏突触器件，通过电子给体/受体气体诱导的载流子俘获/释放机制模拟生物兴奋-抑制平衡调节。通过将突触器件与人工肌肉集成，构建了嗅觉神经通路，通过受控弯曲驱动建立了气体刺激到运动反射的映射。

4.6 人工多模态神经系统

人类的神经系统是高度复杂的，它可以处理来自多种感觉模式的信息以产生准确的行为，这种处理多模态感觉输入以产生协调行为输出的卓越能力称为多感官整合。这一复杂过程在感知综合、认知决策和适应性行为中起着至关重要的作用。

受生物复杂感知功能的启发，通过集成基于钙钛矿的光电探测器、压阻压力传感器、PVA水凝胶离子电缆和突触器件，构建了双模态人工神经元系统。这种结构模拟了生物传入神经，通过并行处理光学和触觉刺激实现了多感官整合，对不同强度的光刺激和不同大小的力刺激具有稳定的响应。应用于机器人控制，该系统通过视触融合增强了物体识别精度，实现了纹理辨别和形状识别。另一种机械-光子双模态突触器件，集成了石墨烯/MoS₂光电晶体管和摩擦电TENG，通过机械应变和光脉冲协同调节突触可塑性。

还开发了集成触觉和听觉感知功能的双模态传感系统，以及模拟触觉、视觉、听觉、味觉和嗅觉处理的五模态神经网络。此外，还开发了一种生物混合感觉运动系统，建立了软电子皮肤与啮齿动物神经回路之间的闭合人工神经通路，有效复制了自然感觉运动整合。

5 人工神经系统的应用领域

人工神经形态器件和系统在神经形态图像识别、神经形态义肢、软机器人和神经形态生物混合系统等方面展现出广泛的应用性。

图像识别是人工神经形态系统的一个重要应用，其核心原理是模仿生物学习和信息处理机制，通过数据集的多次迭代训练来评估识别准确性。例如，利用金字塔结构的压