FlexMat:南京大学施毅教授/潘力佳教授 | 柔性离子凝胶突触器件及其在神经形态系统中的应用

生物神经系统由神经元和突触网络组成，其在信号传输、处理和整合方面展现出优异的能力。受这些系统机制的启发，人工突触器件已被开发并逐步发展成为神经形态计算系统的核心硬件，用于模拟生物突触的可塑性，以实现学习与记忆过程的模拟。近年来，离子凝胶突触器件（IGS）因其良好的生物相容性、高离子导电性及类似人类突触的工作机制而备受关注。引入离子凝胶层后的柔性 IGS 结构独特，且展现出更加优异的性能，从而在神经形态系统中具有广泛的应用潜力。

基于此，南京大学潘力佳教授和施毅教授总结展望了离子凝胶突触器件在神经形态系统中的应用研究，该综述文章发表在南京邮电大学柔性电子全国重点实验室与Wiley出版集团联合新创办的国际学术期刊FlexMat上，题目为“Flexible ionic-gel synapse devices and their applications in neuromorphic system” 。该论文介绍了离子凝胶的制备方法，并依次探讨了柔性 IGS 的器件结构类型、感知机制与突触功能模拟。此外，系统总结了该器件在神经形态系统的最新应用，指出其在多模态集成传感应用及开发可穿戴、人体兼容的神经形态系统中所面临的挑战和发展前景。

尽管离子凝胶突触器件的合成和应用取得了显著进展，但仍面临以下挑战：

多功能性：大多数IGS 依赖有机半导体通道和离子凝胶介电层，难以同时实现兴奋性和抑制性突触行为。目前的神经形态研究多局限于少数神经元或突触器件，功能较为基础。未来研究需探索多输入 IGS 和多栅极突触权重调制，以满足多样化需求，并为人工智能和软体机器人提供支持。

稳定性：离子凝胶的吸湿性会影响其在潮湿环境中的性能，限制应用场景。研究新的封装技术是提高稳定性的可行方法。此外，金属电极的腐蚀和半导体通道的掺杂会导致性能下降，需开发新材料和调整工艺来抑制退化。机械稳定性方面，可考虑结构和材料工程的创新。

生物相容性：用于可穿戴设备的IGS 必须对人体无害。然而，离子凝胶的制备常需有害有机溶剂，不利于未来生物电子学应用。需开发新工艺减少有害物质，并研究新型生物相容性离子液体和聚合物。同时，确保人体对柔性 IGS 的附着和舒适性。

能耗：与能耗较高的冯・诺依曼架构相比，生物计算系统能耗极低。IGS 的功耗虽低于传统晶体管，但仍需进一步降低工作电流和功耗以达到生物水平。结合能量收集机制和复杂学习任务，IGS 有望成为未来人工智能和计算领域的重要技术。

总结来看，基于柔性IGS 的神经形态系统仍处于实验开发早期，制造和集成挑战较大。实现柔性阵列级 IGS 系统是研究前沿，需积累更多理论和实践知识以推动商业化。