《Materials Science and Engineering: R: Reports》：Mimosa-inspired self-powered triboelectric-photonic organic transistor memory for mechano-optical sensing and adaptive protection
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自供电摩擦电-光子有机晶体管内存器实现光触写与摩擦电擦除的协同机制，模拟含羞草感知-保护-恢复的生物学行为，可自主触发光能模块的机械冲击保护，为自适应电子提供单一器件的多模态感知解决方案。
陈春耀|陈一婷|彭伟辰|陈慕怀|杨伟春|佐藤敏文|赖英志|刘桂生
台湾国立大学聚合物科学与工程学院，罗斯福路4段1号，台北10617，台湾
摘要
生物体展现出集成的感知能力和反射性运动，能够对环境刺激做出即时响应。受到含羞草的启发，我们提出了一种自供电的摩擦电-光子有机晶体管存储器（TPOTM），它将机械光学传感与自适应逻辑结合在单个设备中。这种存储行为源于摩擦电-光子机制的协同作用：光激发诱导电荷捕获，而摩擦电势通过触觉相互作用和机械冲击动态调节通道导电性。这种双重刺激耦合实现了可编程的光学写入和摩擦电擦除，从而在设备层面实现了类似含羞草的“感知-保护-恢复”反射功能。当与光伏模块集成时，TPOTM可作为自供电的传感逻辑单元，自主触发对机械冲击的保护机制。虽然驱动是外部的，但感知和决策过程完全不需要外部偏置。这项工作为自供电、自适应电子设备提供了一个生物启发平台，为能够实时适应环境的集成传感-响应设备铺平了道路。
引言
生物体具有出色的感知、学习和响应能力，这些能力通过紧密耦合的视觉、触觉和神经通路实现。这些感官模式并非孤立存在，而是共存于一个系统中，使得生物体能够在动态环境中维持生存[1]、[2]、[3]、[4]。这种感知、记忆和行动之间的无缝集成激发了人工系统的发展，旨在统一材料和技术架构中重现多感官智能[5]、[6]。这种层次化的感知-行动耦合在图1a中进行了示意性说明，代表了人工多感官设计的生物学基础。
近年来，受生物启发的电子技术已经超越了单一刺激感知，朝着在统一、自适应材料中耦合多种感官模式的系统发展[7]、[8]。受视觉启发的光电设备通过将光刺激转换为持久的电子状态来模拟视网膜感知，在单个元件中实现视觉感知和存储。在材料和逻辑层面，特定的先进光电晶体管存储器开始通过光响应电介质集成感知、存储和计算，展示了无偏置和内存操作的潜力[9]、[10]、[11]。受触觉启发的电子皮肤模拟人类机械感受器，将压力、应变和温度检测与神经形态信号转换结合[12]、[13]、[14]。当这些模式结合时，视触觉神经形态系统通过多模态信号融合展现出联想学习和反射式响应，从而实现了跨模态认知[15]、[16]、[17]。最后，感知-驱动耦合系统将外部刺激直接转换为机械运动或自适应保护，实现了类似生物行为的自供电反射[18]、[19]、[20]、[21]。这些进展共同勾勒出一个融合范式，在其中视觉、触觉、记忆和运动共存于一个有机框架内，这是迈向能够自主学习、响应和适应的材料的重要一步。这种从感知到驱动的概念转变构成了图1a-b的叙述基础，为后续的人工实现提供了概念蓝图。
在各种方法中，光子晶体管存储器作为可光寻址和非易失性信号处理的有希望的候选者而脱颖而出[22]、[23]、[24]、[25]、[26]。它们可以通过半导体或驻极体电介质中的光诱导电荷捕获将光输入编码为持久的电子状态。然而，它们的操作仍然依赖于耗能较大的电偏置来擦除电荷，这与自供电操作的原则根本相悖[27]、[28]、[29]、[30]。为了解决这一限制，最近的研究提出了双波长全光过程，其中电子使用可见光写入，随后用紫外线擦除[31]、[32]、[33]、[34]。尽管在概念上很有吸引力，但在实际条件下这些方案面临严重限制：环境光是宽频且波动的，光谱滤波器会降低光通量，重叠的吸收窗口会导致擦除不完全。因此，这些全光驱动的存储器在实际户外环境中仍难以实现。
与此同时，利用摩擦电纳米发电机（TENG）作为动态门控源的摩擦电晶体管在自供电信号调制和触觉传感方面显示出巨大潜力[35]、[36]、[37]、[38]。然而，它们的操作存在一个根本性的极性反转问题：TENG的每次接触-分离循环都会产生相反的电压极性，在栅极界面反复注入和提取电荷[39]、[40]、[41]。尝试通过外部整流器、非对称电极、铁电预极化或机械约束运动来稳定这种交替输出可以抑制极性反转，但代价是增加了复杂性、寄生损耗或与随机机械输入的兼容性较差[42]、[43]、[44]、[45]。因此，实现一个能够可逆响应光和机械输入、像神经单元一样学习和适应的单一无偏置平台仍然是一个挑战。
在这里，我们介绍了一种摩擦电-光子有机晶体管存储器（TPOTM），它将光学写入与摩擦电擦除内在地结合在一起，实现了单平台、无偏置的操作。关键组件是一种具有双极性光活性聚合物驻极体的晶体管存储器，同时充当光响应电荷存储材料和注入选择性捕获层（图1d）。具体来说，当受到光照时，光激发的电子被驻极体捕获，在戊炔苯通道中产生空穴积累，从而形成高导电状态。相反，通过TENG施加的机械刺激会产生摩擦电势，中和被捕获的电子并促进空穴捕获，使设备恢复到低导电状态（图1c）。这种互补的光机械调制模拟了图1b中所示的生物感知-响应耦合，使该平台能够在单个设备中实现“看、感觉、记忆和决策”。
除了基本机制之外，该系统还为光伏模块提供了一种生物启发的自适应保护概念。现代太阳能基础设施极易受到机械冲击和环境损害，导致性能下降和浪费产生。通过将TPOTM逻辑电路与太阳能模块集成，系统可以自主感知机械应力并发出保护指令。关键的是，这种感知到决策的循环完全由环境光和冲击能量驱动，作为一个自主的神经单元来控制保护执行器。这一机制模拟了Mimosa pudica叶片的折叠和重新打开过程，在受到冲击时触发临时保护状态，并在光照下重新激活。图1b（绿色块）示意性地展示了相应的生物启发驱动过程，突出了受含羞草启发的折叠机制。这种光机械自适应保护框架展示了基于聚合物的神经形态材料如何实现感官集成、能源自主性和环境韧性，为下一代光伏系统铺平了道路。这些概念建立了一个将视觉、触觉和逻辑结合在单一有机系统中的生物启发平台，实现了能源自主和抗损伤的电子设备。
部分摘录
基于Ecoflex的TENG设备的电学特性
我们系统的自供电操作依赖于基于接触-分离机制的强大TENG，该机制在机械运动时产生瞬态静电势（支持信息，图S1）。这一工作原理通过有限元分析（FEA）对电势分布进行了理论支持（图S2），并使用非接触式表面电势测量装置进行了实验验证（图S3）。为了最大化TENG的输出效果
结论
这项工作提出了一个自供电的有机存储平台，模拟了生物体如何感知、解释和响应环境刺激。TPOTM在一个设备中统一了光学传感、机械感知和内在决策逻辑，类似于生物系统中视觉、触觉和认知的整合。光作为视觉输入，用于写入电子状态，而摩擦电脉冲作为触觉反馈，用于擦除或重置存储的内容
材料
Eco-flex硅胶（Smooth-On，美国）购自Smooth-On公司。导电织物（镀银莱赛尔纤维）是商业采购的。作为基底使用了N型高掺杂硅（n?? Si）晶圆，其上覆盖有300纳米热生长二氧化硅（SiO?）层（电容：10 nF cm?2）。戊炔苯（纯度>99%，Sigma-Aldrich）、4,4′-二氟二苯砜（99%，TCI）和碳酸钾（K?CO?，99.9%，TCI）从商业供应商处购买并按原样使用。CRediT作者贡献声明
杨伟春：验证、调查、形式分析。佐藤敏文：写作——审阅与编辑、监督、资源获取、资金筹集。赖英志：写作——审阅与编辑、初稿撰写、验证、监督、资源获取、概念化。刘桂生：写作——审阅与编辑、可视化、监督、资源获取、资金筹集。彭伟辰：验证、调查、形式分析。陈慕怀：可视化、方法论利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
陈春耀和陈一婷对这项研究做出了同等贡献。这项工作得到了台湾国家科学技术委员会（资助编号：113–2221-E-002–061、114–2628-E-005–002、114–2112-M-005–002）的财政支持。它还得到了台湾教育部“高等教育萌芽计划”下的“可持续农业创新与发展中心”特色领域研究项目的财政支持。
陈春耀于2021年从台湾国立大学（NTU）获得硕士学位。他目前是台湾国立大学聚合物科学与工程学院和日本北海道大学化学科学与工程学院的博士生，在刘桂生教授和佐藤敏文教授的联合指导下进行研究。他的研究兴趣集中在功能性聚合物材料的设计与合成及其在有机电子学中的应用
