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在這里，我們報(bào)告了一種生物啟發(fā)的運(yùn)動(dòng)認(rèn)知神經(jīng)，它使用靈活的多感官神經(jīng)形態(tài)裝置來(lái)模擬不同感官線索的整合。開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單且可擴(kuò)展的制備方法，以制備納米顆粒摻雜二維（2D）納米片的半導(dǎo)體薄膜。得益于二維材料的電荷捕獲效應(yīng)和制備方案的溶液處理特性，開(kāi)發(fā)了一種高性能的柔性神經(jīng)形態(tài)器件，具有歷史依賴性的可塑性、穩(wěn)定的線性調(diào)制和時(shí)空積分能力。加速度和角速度的雙峰運(yùn)動(dòng)信號(hào)，編碼為時(shí)空尖峰序列并分配不同的感知權(quán)重（感官線索權(quán)重），被發(fā)送到雙柵突觸晶體管，從而實(shí)現(xiàn)多感官信息的并行和基于事件的處理。利用突觸電子設(shè)備的硬件輸出，該系統(tǒng)能夠完成運(yùn)動(dòng)識(shí)別任務(wù)，包括人類活動(dòng)識(shí)別和無(wú)人機(jī)飛行模式識(shí)別。此外，其他類型的感覺(jué)線索（如視覺(jué)-前庭整合和振動(dòng)觸覺(jué)-前庭整合）的多感官整合也可以在我們的系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。我們的系統(tǒng)在雙峰感覺(jué)條件下（整合了兩種感覺(jué)輸入）下的識(shí)別精度高于在單峰感覺(jué)條件下（每種感覺(jué)輸入都是分離的），并表現(xiàn)出反作用效，從而通過(guò)多感官整合復(fù)制了感知增強(qiáng)的生物學(xué)原理。結(jié)果仿生神經(jīng)形態(tài)運(yùn)動(dòng)認(rèn)知神經(jīng)我們的生物啟發(fā)神經(jīng)形態(tài)運(yùn)動(dòng)認(rèn)知神經(jīng)的靈感來(lái)自運(yùn)動(dòng)和空間感知的感官線索的跨模態(tài)整合。在獼猴中，環(huán)境中的自我運(yùn)動(dòng)在內(nèi)耳前庭中調(diào)用慣性刺激，在視網(wǎng)膜中調(diào)用視覺(jué)刺激（圖）。1一)6，25.前庭慣性和視覺(jué)速度信息被轉(zhuǎn)換成攜帶不同時(shí)空模式的尖峰列車，然后通過(guò)感官知覺(jué)和認(rèn)知的過(guò)程在神經(jīng)元和突觸的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行處理26.來(lái)自兩種不同感官模式的信息整合導(dǎo)致有關(guān)運(yùn)動(dòng)和空間感知的神經(jīng)和行為反應(yīng)增強(qiáng)。無(wú)花果。1：生物啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)運(yùn)動(dòng)-認(rèn)知神經(jīng)與獼猴的眼-前庭跨模態(tài)感覺(jué)神經(jīng)的比較。a 前庭和視網(wǎng)膜獲得的慣性和視覺(jué)速度信號(hào)在神經(jīng)元和突觸之間以時(shí)空模式的尖峰列車形式傳遞，最后傳遞到位于大腦各個(gè)皮質(zhì)和皮質(zhì)下區(qū)域的頭部方向細(xì)胞和角度-頭部-速度細(xì)胞，通過(guò)多感官增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和空間認(rèn)知的高級(jí)功能。b 由慣性測(cè)量單元 （IMU） 傳感器、靈活的尖峰編碼電路和靈活的多感官突觸晶體管構(gòu)建的仿生神經(jīng)形態(tài)運(yùn)動(dòng)認(rèn)知神經(jīng)。IMU傳感器中的加速度計(jì)和陀螺儀檢測(cè)到的加速度和角速度信號(hào)被編碼為兩個(gè)時(shí)空尖峰序列，然后發(fā)送到突觸晶體管的兩個(gè)柵極。運(yùn)動(dòng)認(rèn)知是使用硬件輸出以連續(xù)的、神經(jīng)形態(tài)的、基于事件的方式實(shí)現(xiàn)的。在我們的系統(tǒng)中，加速度和角速度的運(yùn)動(dòng)信號(hào)分別由慣性測(cè)量單元（IMU）傳感器的加速度計(jì)和陀螺儀獲得（圖）。1b），其方式類似于眼前庭系統(tǒng)。首先，通過(guò)基于微控制器的柔性尖峰編碼電路，使用尖峰速率編碼方法，將對(duì)應(yīng)于兩種感官模式（加速度和旋轉(zhuǎn)）的雙峰運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩個(gè)時(shí)空尖峰序列（圖）。S1)19，27，28，然后這兩個(gè)尖峰序列通過(guò)為不同的感覺(jué)模式分配感知權(quán)重來(lái)傳輸?shù)饺嵝酝挥|晶體管的雙門。兩個(gè)尖峰序列的時(shí)間相關(guān)性和時(shí)間模式會(huì)影響突觸晶體管的突觸增強(qiáng)行為，從而影響器件輸出（突觸后電流）。通過(guò)這種方式，該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了多感官整合功能。運(yùn)動(dòng)類型的識(shí)別是通過(guò)平均編碼尖峰的突觸前放電速率并以基于事件的方式讀取設(shè)備的突觸后電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而實(shí)現(xiàn)跨不同感官模式的運(yùn)動(dòng)信息的神經(jīng)形態(tài)認(rèn)知感知。靈活的多感官突觸晶體管突觸晶體管（圖。2a）具有由兩個(gè)側(cè)柵、藻酸鹽離子凝膠、納米顆粒摻雜的2D納米片通道（N型）和叉指源和漏極組成的雙柵極結(jié)構(gòu)。兩個(gè)側(cè)柵通過(guò)海藻酸鹽離子凝膠耦合到通道29，30和最終設(shè)備（圖。2b）通過(guò)SnO的旋涂法制備2-納米顆粒/鉬2-柔性基板上的納米片。離子凝膠是由海藻酸鈉的天然材料通過(guò)離子交聯(lián)制備的軟水凝膠。離子凝膠的頻率相關(guān)電容（圖）。S2）具有 1.03 μF cm 的大電容?2即使在 1 kHz 下，這歸因于由移動(dòng)離子誘導(dǎo)的雙電層 （EDL） 的形成31，32.在高頻外加電壓下形成EDL界面層有利于靜電調(diào)制。溶液處理制造協(xié)議允許在 100 英寸柔性基板上并行和大規(guī)模制備 4 個(gè)器件陣列（圖S3）。無(wú)花果。2：突觸晶體管的表征和性能。a 設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。b 在柔性基板上制成陣列的器件的照片。c 錫諾的透射電鏡圖像2納米顆粒。d MoS的高分辨率透射電鏡2納米片顯示測(cè)得的晶格間距可以索引到（100）平面。插圖顯示了單個(gè) MoS 的 TEM 圖像2納米片。e 鉬的紫外-可見(jiàn)吸收光譜2納米片顯示四個(gè)吸收峰，這是具有三角棱柱結(jié)構(gòu)（2H相）的過(guò)渡金屬硫族化合物的特征。f 錫諾的XRD圖譜2-納米顆粒/鉬2-納米片狀薄膜。g 膠片的光學(xué)顯微鏡。插圖顯示了在 MoS 上獲取的拉曼映射2高峰 408 厘米?1（比例尺：10 μm）。h 電影的SEM圖像。插圖顯示了特寫的 SEM 圖像（比例尺：500 nm）。i 設(shè)備的傳輸曲線。我d，我g和 V千分別表示漏極電流、柵極漏電流和閾值電壓。j 器件的尖峰數(shù)依賴性可塑性。PSC 代表突觸后電流。k峰值速率依賴于器件的塑性。l 設(shè)備的周期間變化。m BCM 規(guī)則是通過(guò)向器件施加具有不同頻率的正尖峰序列 （7 V） 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。ΔPSC代表突觸后電流的變化。n 通過(guò)在四個(gè)正尖峰序列中的每一個(gè)之后應(yīng)用負(fù)尖峰序列 （?2.5 V） 來(lái)重置器件，從而抑制 BCM 規(guī)則。i–n測(cè)量是通過(guò)在1.0 V偏置下對(duì)器件的單柵極（Gate75）施加電壓尖峰來(lái)進(jìn)行的。氧化鐮的形態(tài)2納米顆粒（圖。2c） 和 MoS2納米片（圖。2d和圖。S4）使用透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行研究。MoS 的綠色2分散（圖。S5）以及其紫外-可見(jiàn)光譜的可見(jiàn)光范圍吸收（圖）。2e） 表示存在薄半導(dǎo)體 MoS2（2H相）33，34.MoS的光致發(fā)光光譜2納米片（圖。S6）在光子能量為1.9 eV時(shí)具有突出的峰值，這與層狀MoS的帶隙一致2.鉬的厚度2納米片測(cè)量為6納米，對(duì)應(yīng)于九層（圖）。S7）。為了表征晶體管溝道，SnO的混合物2納米顆粒和鉬2納米薄片在硅上旋涂成薄膜。X射線衍射圖（圖）。2f） 表示存在 SnO2和 MoS2.光學(xué)顯微鏡（圖）2g），408 cm 拉曼光譜映射?1（對(duì)應(yīng)于 A1克MoS 的峰值2;無(wú)花果。2g插圖）和原子力顯微鏡（AFM;無(wú)花果。S8）揭示了MoS的聚集體（高達(dá)600 nm）2納米片均勻分布在基材表面上。掃描電子顯微鏡（SEM;無(wú)花果。2h）表示納米片以分散聚集體的形式形成，而納米顆粒緊密堆積為具有納米紋理的連續(xù)膜（圖）。S9）。首先研究了該器件的晶體管特性。傳遞曲線（圖。2i）顯示逆時(shí)針磁滯較大（4μA時(shí)窗口為5.1 V），這是由海藻酸鹽凝膠中移動(dòng)離子的遷移和弛豫動(dòng)力學(xué)的時(shí)間滯后引起的35.器件具有閾值電壓 （V千） 的 2 V，這意味著 5 V 的晶體管-晶體管邏輯 （TTL） 電壓足以打開(kāi)器件。該器件還具有高開(kāi)/關(guān)比 （1130）、低漏電流 （Id/我g= 19），以及不錯(cuò)的載體移動(dòng)性（μ = 0.3 cm2V?1s?1），以及這些特征（圖。S10a）可以與其他電解質(zhì)門控柔性晶體管競(jìng)爭(zhēng)23，36.相比之下，使用純SnO制造的控制裝置的傳遞曲線2納米粒子顯示出較差的器件特性（圖。S10b），包括行動(dòng)不便（μ = 0.06 cm2V?1s?1）和更窄的遲滯窗口（2 μA時(shí)為8.1 V）。這種差異表明 MoS2納米片增強(qiáng)了離子/電子靜電耦合下的載流子捕獲，并產(chǎn)生了改進(jìn)的特性，包括遷移率和靜電門控37.納米片尺寸對(duì)器件性能的影響（圖）。S11和表S1）在補(bǔ)充說(shuō)明1中討論。然后研究了該裝置的突觸特征。漏極電流，定義為突觸后電流（PSC），通過(guò)向一個(gè)柵極（Gate1）施加電壓尖峰來(lái)調(diào)制。正尖峰（7 V，50 ms）具有激勵(lì)效應(yīng)，如配對(duì)脈沖促進(jìn)（PPF）效應(yīng)所示（圖）。S12）。增加正電壓尖峰的數(shù)量或頻率會(huì)導(dǎo)致突觸后電流增加，從而增加尖峰數(shù)量依賴性可塑性（SNDP;無(wú)花果。2j）和峰值速率依賴性塑性（SRDP;無(wú)花果。2k） 得到確認(rèn)。請(qǐng)注意，使用純SnO制造的控制裝置2納米顆粒顯示出惡化的突觸特征（圖。S13）。在電壓尖峰的刺激停止后，突觸后電流的衰減過(guò)程可以很好地?cái)M合到記憶喪失曲線上（圖）。S14）典型時(shí)間常數(shù)為0.4秒，在人類感官記憶（0.2-3秒）的范圍內(nèi)。周期間變化（圖）2l）通過(guò)反復(fù)施加30個(gè)正尖峰和30個(gè)負(fù)尖峰進(jìn)行評(píng)估，該器件表現(xiàn)出多級(jí)電導(dǎo)狀態(tài)（30），小周期間變化（5.3%），電導(dǎo)變化大（G.max/G最小~130）和線性增強(qiáng)（在圖中評(píng)估）。S15），這是理想突觸裝置的理想特性38.所制造的裝置在應(yīng)用100個(gè)周期的尖峰序列或在環(huán)境條件下儲(chǔ)存3天后，突觸反應(yīng)顯示出微小的變化（圖）。S16），表明其長(zhǎng)期戶外使用具有很高的運(yùn)行可靠性和穩(wěn)定性。關(guān)于柔性特性，裝置的突觸特性（圖。S17）表現(xiàn)出高彎曲穩(wěn)定性（<5%變化），從而使其在柔性電子產(chǎn)品中具有潛在的應(yīng)用。在神經(jīng)科學(xué)中，Bienenstock-Cooper-Munro（BCM）規(guī)則表明，突觸權(quán)重（突觸強(qiáng)度）的調(diào)節(jié)與可調(diào)閾值的頻率相關(guān)，因?yàn)樗艿缴窠?jīng)活動(dòng)歷史的影響。39，40，41.因此，我們實(shí)施了BCM規(guī)則（圖）。2m），分別以 10、5、2 和 5 Hz 的頻率施加四組尖峰序列（十個(gè)連續(xù)的正尖峰）。第二和第四個(gè)尖峰序列盡管具有相同的頻率，但由于先前（第一和第三個(gè)）尖峰序列的影響，引起不同的突觸反應(yīng)（ΔPSC），因此在這種操作模式下裝置的突觸可塑性是歷史依賴性的。相反，在四個(gè)正尖峰序列中的每一個(gè)之后，額外應(yīng)用負(fù)尖峰序列（顯示抑制作用）迅速將突觸后電流降低到靜止水平（圖）。2n），從而抑制BCM效應(yīng)。因此，突觸可塑性可以通過(guò)這種復(fù)位操作進(jìn)行調(diào)整，這對(duì)于以基于事件的方式調(diào)整設(shè)備的響應(yīng)性很有用。由于SnO的紫外線響應(yīng)特性，該器件還顯示出在光脈沖刺激下的增強(qiáng)行為2納米顆粒（圖。S18），并且裝置的突觸響應(yīng)可以通過(guò)光脈沖的強(qiáng)度或數(shù)量來(lái)調(diào)制（圖）。S19）。總體而言，使用0D-納米顆粒/2D-納米片狀混合物可實(shí)現(xiàn)溶液可加工、低溫、可擴(kuò)展的柔性突觸裝置制造。此外，所提出的突觸晶體管在器件特性和突觸功能方面優(yōu)于使用溶液可加工2D材料的其他突觸器件（表S2）。然后，我們?cè)u(píng)估了響應(yīng)時(shí)空尖峰列車的設(shè)備輸出。我們的設(shè)備模擬多樹(shù)突狀感覺(jué)神經(jīng)元（圖。3a）能夠進(jìn)行時(shí)空整合，因?yàn)樗膬蓚€(gè)側(cè)門可以單獨(dú)接收感官刺激（圖3a）。20b和圖。S1）?？拷O的柵極喚起的突觸后電流大約是靠近源極的另一個(gè)柵極引起的電流的兩倍，前門和后門，分別定義為主柵極（Gate2）和次要柵極（Gate<>），將根據(jù)具體應(yīng)用分配給不同的感官模式。這類似于基于感官線索的可靠性分配感知權(quán)重，這在獼猴的自我運(yùn)動(dòng)感知過(guò)程中觀察到25.在我們的設(shè)備中，可以通過(guò)利用尖峰依賴性可塑性或歷史依賴性可塑性的特性來(lái)調(diào)節(jié)感知權(quán)重（圖）。S21和表S3）。時(shí)空識(shí)別是通過(guò)將兩個(gè)具有不同時(shí)序（時(shí)間延遲Δt）的成對(duì)尖峰序列應(yīng)用于兩個(gè)門來(lái)實(shí)現(xiàn)的，從而對(duì)器件的突觸后電流施加（圖）。3c） 對(duì)這些案件的反應(yīng)不同。無(wú)花果。3：突觸晶體管的時(shí)空識(shí)別能力。具有多個(gè)樹(shù)突的生物神經(jīng)元的插圖。b 通過(guò)分別向兩個(gè)柵極（Gate5：主柵極;門 50：次要門）。插圖顯示了設(shè)備的特寫照片。這兩個(gè)門被分配給不同的感官模式（感知權(quán)重的分配）。c 當(dāng)將一系列具有不同時(shí)序（時(shí)間延遲 Δt： ?5.1， ?2.1， 0， 0.5， 0.0 s）的成對(duì)尖峰序列施加到兩個(gè)門（門 5 和門 1）時(shí)，設(shè)備的突觸后電流 （PSC）。d 事件持續(xù)時(shí)間（N;無(wú)單位）、尖峰數(shù)（N1， N2）、平均點(diǎn)火率 （f1， f2;相對(duì)值，無(wú)單位）和突觸反應(yīng)（ΔPSC），在兩個(gè)具有時(shí)間延遲的尖峰序列的刺激下（Δt）。事件持續(xù)時(shí)間由峰值測(cè)量。e 與（c）中的五種情況相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)尖峰列車的平均點(diǎn)火率。f 對(duì)應(yīng)于（c）中五種情況的裝置的突觸反應(yīng)（ΔPSC）。在多次試驗(yàn)中，兩個(gè)尖峰列車的時(shí)空模式進(jìn)行了很好的分類（n = 5），圖中的誤差條代表標(biāo)準(zhǔn)差（SD）。在哺乳動(dòng)物的大腦中，頭部方向細(xì)胞與空間記憶和認(rèn)知有著錯(cuò)綜復(fù)雜的聯(lián)系，它們根據(jù)它們的平均放電率分為各種類型，例如常規(guī)尖峰和快速尖峰。42.這里采用神經(jīng)科學(xué)中的這種時(shí)間平均技術(shù)來(lái)分析尖峰序列的特征（圖）。通常持續(xù)幾秒鐘的事件決定了對(duì)設(shè)備任一門（Gate3 和 Gate1）的尖峰激勵(lì)的持續(xù)時(shí)間，事件持續(xù)時(shí)間以尖峰持續(xù)時(shí)間為單位進(jìn)行測(cè)量，然后是平均觸發(fā)率 （f1， f2;相對(duì)值）是通過(guò)對(duì)事件持續(xù)時(shí)間內(nèi)的峰值數(shù)求平均值得出的。此外，突觸反應(yīng)通過(guò)事件發(fā)生后突觸后電流（ΔPSC）的變化來(lái)量化。平均點(diǎn)火率（圖。3e）和突觸反應(yīng)（圖3e）。圖3f）中的<>種情況。<>c. 平均發(fā)射率（f1和 f2）被視為突觸前特征，它簡(jiǎn)要表示兩個(gè)尖峰序列之間的時(shí)間延遲;但是，它無(wú)法識(shí)別首先到達(dá)的尖峰列車。突觸反應(yīng)（ΔPSC）被視為突觸后的特征，可以辨別兩個(gè)尖峰序列的時(shí)間差異和順序，因此即使考慮到從多次試驗(yàn)中獲得的偏差，它也可以準(zhǔn)確地對(duì)所有五種時(shí)空模式進(jìn)行分類（圖中的誤差線）。3f）. 值得注意的是，同時(shí)應(yīng)用兩個(gè)無(wú)時(shí)間延遲的尖峰序列導(dǎo)致顯著較高的平均發(fā)射率和突觸反應(yīng)，揭示了時(shí)間全等尖峰序列的促進(jìn)作用。最重要的是，我們的設(shè)備可以并行處理具有不同時(shí)空模式的兩個(gè)輸入尖峰，這表明它可用于多感官整合和時(shí)空識(shí)別。此外，我們的雙門突觸裝置在神經(jīng)功能、制造方案、機(jī)械靈活性和應(yīng)用方面與之前報(bào)道的多門突觸裝置（在多門控模式下模擬異質(zhì)突觸和穩(wěn)態(tài)可塑性）不同。43，44，45.人類活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)認(rèn)知一種仿生的神經(jīng)形態(tài)運(yùn)動(dòng)認(rèn)知神經(jīng)（圖。如圖4a）組成由IMU傳感器、尖峰編碼電路和突觸晶體管組成。尖峰編碼電路和突觸晶體管都是在柔性襯底上制造的，這些襯底可以附著在人體皮膚上（圖）。4b）. IMU傳感器和尖峰編碼電路都與藍(lán)牙模塊接口，以允許運(yùn)動(dòng)信號(hào)的無(wú)線傳輸，這種設(shè)計(jì)可用于分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)。方法中解釋了多感官統(tǒng)合的細(xì)節(jié)。至于神經(jīng)形態(tài)電子學(xué)的實(shí)現(xiàn)，考慮到前者的脈沖驅(qū)動(dòng)和并聯(lián)操作，我們使用柔性突觸晶體管的方法在電路復(fù)雜性、能耗和器件靈活性方面優(yōu)于使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）器件的傳統(tǒng)方法（表S4）。無(wú)花果。4：在人類活動(dòng)識(shí)別中的應(yīng)用。生物啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)運(yùn)動(dòng)認(rèn)知神經(jīng)的硬件圖。示出了執(zhí)行運(yùn)動(dòng)識(shí)別任務(wù)期間的信息流。b 附著在人體皮膚上的柔性突觸電子設(shè)備的照片。c 在跑步活動(dòng)期間獲得的加速度（Acc）和陀螺儀（陀螺儀）信號(hào)。d 編碼的尖峰序列（Acc Spike、Gyro Spike）對(duì)應(yīng)于（c）中的雙峰運(yùn)動(dòng)信號(hào)（Acc、Gyro）。當(dāng)人類受試者進(jìn)行 e 跳躍、f 跳繩、g 軀干旋轉(zhuǎn)、h 跑步、i 競(jìng)走和 j 摔倒時(shí)突觸晶體管的 e-j 突觸后電流 （PSC）。k 兩個(gè)硬件輸出的可視化（加速度尖峰的平均觸發(fā)率 f行政協(xié)調(diào)會(huì)，陀螺尖峰的平均發(fā)射速率f陀螺） 在 2D 坐標(biāo)中。l 三個(gè)硬件輸出的可視化（f行政協(xié)調(diào)會(huì)， f陀螺，突觸響應(yīng)ΔPSC）在3D坐標(biāo)中，說(shuō)明了高維分類策略。六種顏色的數(shù)據(jù)群集對(duì)應(yīng)于不同的活動(dòng)類型。m 顯示人類活動(dòng)識(shí)別結(jié)果的混淆矩陣。為了證明我們系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)認(rèn)知能力，我們進(jìn)行了人類活動(dòng)識(shí)別實(shí)驗(yàn)。43.IMU傳感器連接到人類受試者的胸部，受試者以典型的休息時(shí)間為>2秒連續(xù)進(jìn)行不同的活動(dòng)。對(duì)于感知加權(quán)，沿垂直（重力）方向的加速度和角速度信號(hào)分別分配給主要和次要感官模式。當(dāng)?shù)却龝r(shí)間后未檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)信號(hào)時(shí)（T等） 1.0 秒，應(yīng)用負(fù)尖峰以復(fù)位器件（補(bǔ)充說(shuō)明 2）。在活動(dòng)期間獲得的雙峰運(yùn)動(dòng)信號(hào)（例如，跑步;無(wú)花果。4c）被有效地轉(zhuǎn)換為瞬時(shí)頻率編碼的尖峰列車（圖）。4d）及其時(shí)間模式，通過(guò)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行評(píng)估（表S5)46，保存完好?？偣策M(jìn)行了跳躍、跳繩、軀干旋轉(zhuǎn)、跑步、競(jìng)走和摔倒等六種人類活動(dòng)。六種活動(dòng)的典型雙峰運(yùn)動(dòng)信號(hào)如圖所示。S22a–f，以及相應(yīng)的突觸后電流如圖所示。4e–j.突觸后電流的持續(xù)時(shí)間和幅度分別表示事件持續(xù)時(shí)間和刺激強(qiáng)度。重復(fù)執(zhí)行六項(xiàng)活動(dòng)中的每一項(xiàng)都完成了一個(gè)訓(xùn)練過(guò)程（圖）。S23），并記錄硬件輸出以得出對(duì)活動(dòng)類型進(jìn)行分類的決策邊界。當(dāng)突觸前信號(hào)，包括加速度和陀螺尖峰的平均發(fā)射速率（f行政協(xié)調(diào)會(huì)和 f陀螺）用于分類（圖。4k），某些活動(dòng)類型重疊（例如，跳繩和跳繩），無(wú)法分類。相反，當(dāng)突觸前和突觸后信號(hào)（f行政協(xié)調(diào)會(huì)， f陀螺和ΔPSC）被利用并映射到高維空間（圖）。4l），所有六種活動(dòng)類型彼此不同（決策邊界：表S6）。因此，為確保準(zhǔn)確分類，三個(gè)硬件輸出（f行政協(xié)調(diào)會(huì)， f陀螺和 ΔPSC） 用于推導(dǎo)決策邊界。在訓(xùn)練過(guò)程之后，通過(guò)執(zhí)行不同的活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程（圖S24），并使用決策樹(shù)方法通過(guò)比較操作來(lái)識(shí)別相應(yīng)的活動(dòng)類型（圖）。S25）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以混淆矩陣的形式呈現(xiàn)（圖。4m）表明總識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)0.94（使用和不使用ΔPSC的分類結(jié)果在圖中進(jìn)行了比較。S26和表S7）。我們系統(tǒng)的這種性能可以與之前報(bào)道的人機(jī)感知系統(tǒng)（表S8）相媲美，后者使用處理單元。通過(guò)優(yōu)化決策邊界，可以進(jìn)一步提高運(yùn)動(dòng)識(shí)別的準(zhǔn)確性（補(bǔ)充說(shuō)明3）（圖）。S27）或更改傳感器類型（圖。S28-S31）。此外，人體運(yùn)動(dòng)識(shí)別任務(wù)已經(jīng)使用同一批次制造的多個(gè)設(shè)備以及不同設(shè)備的相似突觸響應(yīng)（圖。S32，S33）以及它們的識(shí)別精度值（表S9）表明運(yùn)動(dòng)認(rèn)知方法是魯棒的。我們進(jìn)一步對(duì)標(biāo)志信號(hào)的分類進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，其中涉及復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)序列（圖）。S34）。考慮到揮旗運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)慣量和角速度的時(shí)間相關(guān)信號(hào)（圖）。S35），突觸后電流的輪廓（圖。S36）描述這種運(yùn)動(dòng)的持續(xù)時(shí)間、順序和強(qiáng)度。對(duì)所有 26 個(gè)字母和相應(yīng)的硬件輸出 （f行政協(xié)調(diào)會(huì)， f陀螺和 ΔPSC;典型值）以 3D 坐標(biāo)可視化（圖S37）表明代表26個(gè)字母的數(shù)據(jù)點(diǎn)可以相互區(qū)分（決策邊界：表S10）。此外，我們的系統(tǒng)還成功實(shí)現(xiàn)了手勢(shì)的分類（圖。S38、S39和表S11），表明其在智能界面中的潛在應(yīng)用。空中機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)認(rèn)知為了展示對(duì)機(jī)器人智能的認(rèn)知感知能力，我們的系統(tǒng)使用四旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行了測(cè)試（圖）。5a）. 對(duì)于感知加權(quán)，沿垂直（重力）方向的加速度信號(hào)被分配給主要感官模態(tài)。通過(guò)訓(xùn)練和測(cè)試過(guò)程實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)飛行模式的識(shí)別（圖）。S40）使用硬件輸出，與以前類似。通過(guò)執(zhí)行旋轉(zhuǎn)上升操作進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)，該操作涉及恒定旋轉(zhuǎn)以及突然的加速和減速。檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)信號(hào)（圖。S41a）和編碼的尖峰列車（圖。S41b）兩者都表明加速度和角速度在此操作過(guò)程中是相關(guān)的。通過(guò)在不同的飛行模式下操作無(wú)人機(jī)進(jìn)行了進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，包括風(fēng)穩(wěn)定、碰撞穩(wěn)定、旋轉(zhuǎn)、上升和旋轉(zhuǎn)上升。運(yùn)動(dòng)信號(hào)（圖S42a–e）和突觸后電流（圖。5b–f）記錄了在這五種飛行模式下獲得的飛行。重復(fù)執(zhí)行五種飛行模式中的每一種都完成了訓(xùn)練過(guò)程（等待時(shí)間 T等1.5 秒）。同樣，2D 硬件輸出的可視化 （f行政協(xié)調(diào)會(huì)， f陀螺;無(wú)花果。5g） 和 3D 坐標(biāo) （f行政協(xié)調(diào)會(huì)， f陀螺和 ΔPSC;無(wú)花果。5h）揭示了高維分類使得區(qū)分無(wú)人機(jī)飛行模式變得更加容易（決策邊界：表S12）。混淆矩陣（圖。5i）表示該識(shí)別任務(wù)的總準(zhǔn)確率達(dá)到0.95（使用和不使用ΔPSC的分類結(jié)果在圖中進(jìn)行了比較。S26和表S7）。我們的突觸電子系統(tǒng)在檢測(cè)/識(shí)別無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)方面的性能可以與傳感器處理器系統(tǒng)相媲美，后者依賴于復(fù)雜的算法和計(jì)算資源（表S13）。此外，無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)分類任務(wù)已使用多個(gè)設(shè)備執(zhí)行（圖。S32，S33），實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，識(shí)別精度相當(dāng)高，不同設(shè)備之間的差異很小（表S9）。總體而言，運(yùn)動(dòng)認(rèn)知機(jī)制的高精度和魯棒性可歸因于設(shè)備間差異的低，這得益于可靠的制造路線、多感官整合方法的有效性以及突觸前和突觸后信號(hào)的組合使用進(jìn)行分類。無(wú)花果。5：在無(wú)人機(jī)飛行模式識(shí)別中的應(yīng)用。配備 IMU 傳感器的運(yùn)動(dòng)認(rèn)知四旋翼無(wú)人機(jī)，可將雙峰運(yùn)動(dòng)信號(hào)無(wú)線傳輸?shù)郊夥寰幋a電路和突觸晶體管。無(wú)人機(jī)飛行模式的識(shí)別是通過(guò)尖峰編碼和運(yùn)動(dòng)信號(hào)的突觸處理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)無(wú)人機(jī)以五種模式運(yùn)行時(shí)，突觸晶體管產(chǎn)生的 b-f 突觸后電流 （PSC）：b 風(fēng)穩(wěn)定、c 碰撞穩(wěn)定、d 旋轉(zhuǎn)、e 上升和 f 自旋上升。g 兩個(gè)硬件輸出的可視化（加速度尖峰的平均觸發(fā)率 f行政協(xié)調(diào)會(huì)，陀螺尖峰的平均發(fā)射速率f陀螺） 在 2D 坐標(biāo)中。h 三個(gè)硬件輸出的可視化（f行政協(xié)調(diào)會(huì)， f陀螺和突觸響應(yīng) ΔPSC） 在 3D 坐標(biāo)中。不同顏色的數(shù)據(jù)簇對(duì)應(yīng)于五種飛行模式。i 顯示無(wú)人機(jī)飛行模式識(shí)別結(jié)果的混淆矩陣。多感官統(tǒng)合和感知增強(qiáng)通過(guò)整合光流和前庭加速線索，與單峰感覺(jué)刺激（每個(gè)感覺(jué)輸入是分離的）相比，獼猴在雙峰感覺(jué)刺激（整合來(lái)自兩種模式的感覺(jué)輸入）下的運(yùn)動(dòng)和空間感知任務(wù)中表現(xiàn)出更好的行為反應(yīng)6，25.因此，為了量化我們系統(tǒng)中跨模態(tài)知覺(jué)增強(qiáng)的幅度，我們采用了多感官增強(qiáng)指數(shù)（MEI），該指數(shù)用于神經(jīng)科學(xué)中的多感官知覺(jué)：$${{{\rm{MEI}}}}}}=\frac{{R}_{{{\rm{bimodal}}}-{{\max }}（{R}_{{{\rm{modal}}}1}，\，{R}_{{{{\rm{modal}}}}2}）}{{{{\max }}（{R}_{{\rm{modal}}}1}，\，{R}_{{\rm{modal}}}2}）}$$(1)其中 R雙峰表示雙峰感覺(jué)刺激條件下的識(shí)別精度，R莫代爾1和 R莫代爾2表示單峰感覺(jué)刺激條件下的識(shí)別精度47.通過(guò)將單峰感覺(jué)刺激（加速度或角速度）施加到突觸晶體管上，并在單峰感覺(jué)條件下執(zhí)行運(yùn)動(dòng)識(shí)別任務(wù)，進(jìn)行了額外的對(duì)照實(shí)驗(yàn)（圖。S43， S44）。結(jié)果（表S14）表明，雙峰感覺(jué)刺激下的識(shí)別準(zhǔn)確率高于單峰感覺(jué)刺激下的識(shí)別準(zhǔn)確率，跨模態(tài)整合的MEI增強(qiáng)在人類活動(dòng)識(shí)別中達(dá)到15%，在無(wú)人機(jī)飛行模式識(shí)別下達(dá)到25%。因此，關(guān)于運(yùn)動(dòng)認(rèn)知的跨模態(tài)感知增強(qiáng)在我們的系統(tǒng)中得到了證實(shí)。神經(jīng)科學(xué)中多感官統(tǒng)合的另一個(gè)基本原理是逆效，它描述了跨模態(tài)知覺(jué)增強(qiáng)在弱刺激下很大，并隨著刺激強(qiáng)度的增加而降低26.我們進(jìn)一步研究了我們系統(tǒng)在不同人類活動(dòng)類型方面的雙峰感知增強(qiáng)（圖）。S43）。在下落運(yùn)動(dòng)的情況下觀察到識(shí)別性能的最大提升，對(duì)應(yīng)于最弱的刺激，因?yàn)樗氖录掷m(xù)時(shí)間最短，突觸反應(yīng)最低。在識(shí)別無(wú)人機(jī)飛行模式時(shí)也觀察到了類似的規(guī)則（圖。S44）。因此，確定了多感官統(tǒng)合與單感官反應(yīng)之間的反比關(guān)系4.作為擴(kuò)展，使用我們的系統(tǒng)研究了從完全不同的傳感器獲得的其他感官線索的多感官整合。使用光流傳感器、振動(dòng)觸覺(jué)傳感器和 IMU 傳感器實(shí)現(xiàn)傳感模塊，可以檢測(cè)對(duì)應(yīng)于視覺(jué)、觸覺(jué)和前庭線索的多模態(tài)信號(hào)（圖）。S28）。前庭和視覺(jué)線索的雙峰感覺(jué)整合導(dǎo)致人類活動(dòng)的識(shí)別精度為0.96（圖）。S29）。同樣，前庭和振動(dòng)觸覺(jué)線索的雙峰感覺(jué)統(tǒng)合導(dǎo)致人類活動(dòng)的識(shí)別精度為0.95（圖）。S30）。與每個(gè)感覺(jué)線索分離的單峰感覺(jué)條件相比（圖）。S31），不同線索的雙峰感覺(jué)整合提高了識(shí)別精度，實(shí)現(xiàn)了感知增強(qiáng)（表S15、S16和補(bǔ)充注 4）。通過(guò)連接到所需的傳感模塊（前庭、光學(xué)和振動(dòng)觸覺(jué)），我們的系統(tǒng)可以潛在地用作模擬大腦中多感官神經(jīng)處理的一般神經(jīng)形態(tài)平臺(tái)，從線索整合到因果推理。討論總之，我們展示了一種靈活的多感官突觸晶體管，并進(jìn)一步發(fā)展了一種生物啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)運(yùn)動(dòng)認(rèn)知神經(jīng)，該神經(jīng)模擬了獼猴眼-前庭線索的多感官整合。該系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)形態(tài)智能、認(rèn)知功能和對(duì)運(yùn)動(dòng)感知的感知增強(qiáng)。開(kāi)發(fā)了一種快速、可擴(kuò)展和溶液處理的方法，用于制造納米顆粒摻雜的 2D-納米片狀薄膜。得益于二維材料的電荷捕獲效應(yīng)，利用該薄膜作為半導(dǎo)體通道，制備了一種高性能柔性神經(jīng)形態(tài)器件。該器件表現(xiàn)出改進(jìn)的載流子遷移率和靜電門控的電氣特性，以及歷史依賴性可塑性和時(shí)空識(shí)別能力的優(yōu)越突觸特性，能夠?qū)Χ喔泄佥斎脒M(jìn)行并行、突觸、基于事件的處理。以突觸前和突觸后信號(hào)為分類標(biāo)準(zhǔn)，成功驗(yàn)證了對(duì)人類活動(dòng)類型和無(wú)人機(jī)飛行模式的識(shí)別，總準(zhǔn)確率分別為2.0和94.0。此外，通過(guò)改變系統(tǒng)中的傳感模塊實(shí)現(xiàn)視覺(jué)、觸覺(jué)和前庭線索的雙模感覺(jué)整合，所有這些都導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)識(shí)別的可靠和高精度性能。從本質(zhì)上講，該系統(tǒng)在生物學(xué)上是合理的，因?yàn)樗M了感覺(jué)線索的跨模態(tài)整合，并使用突觸前和突觸后信號(hào)實(shí)現(xiàn)認(rèn)知功能，其感知性能符合通過(guò)多感官整合增強(qiáng)感知的生物學(xué)原理。因此，我們的系統(tǒng)提供了一種新的范式，將認(rèn)知神經(jīng)形態(tài)智能與多感官感知相結(jié)合，應(yīng)用于感官機(jī)器人、智能可穿戴設(shè)備和人機(jī)交互設(shè)備。方法材料少層 MoS2納米片（2H相，1毫克毫升）?1）通過(guò)液相去角質(zhì)制備并分散在水中，從XFNano定制并購(gòu)買。在分散體中加入乙醇（v / v 1：4）以降低表面張力。將納米片分散體在超聲浴中超聲處理30分鐘，然后在5×g下離心500分鐘，傾析上清液再次超聲處理15分鐘。MoS 的橫向尺寸2納米薄片測(cè)量為200-600nm。SnO的膠體分散體（15%）2水中的納米顆粒是從阿法埃莎購(gòu)買的，平均粒徑測(cè)量為~4納米。海藻酸鈉、乙酸和甘油是從TCI購(gòu)買的。設(shè)備制造為了制造半導(dǎo)體薄膜，MoS的混合物（v / v 10：1）2納米片狀分散體和氧化鉸2將納米顆粒分散體超聲處理15分鐘，然后在干凈的聚酰亞胺基板上以1000rpm旋涂，然后在80°C下烘烤1分鐘。旋涂過(guò)程重復(fù)兩次以確保樣品表面完全覆蓋，然后將樣品在110°C下在充滿氮?dú)獾氖痔紫渲型嘶?0分鐘。隨后使用陰影掩模通過(guò)熱蒸發(fā)沉積源、漏極和雙平面柵極，該掩模定義了長(zhǎng)度為 80 μm 的叉指通道。通過(guò)將海藻酸鈉粉末（0.06g）加入乙酸溶液（2重量%，4ml）中獲得海藻酸鹽溶液，然后在600°C下以70rpm攪拌混合物10分鐘。當(dāng)藻酸鹽溶解時(shí)，滴加甘油（0.2g）。冷卻至室溫后，將粘性海藻酸鹽溶液滴鑄在干凈的載玻片上，然后在80°C下干燥40分鐘，該過(guò)程產(chǎn)生離子凝膠。通過(guò)使用切割成所需尺寸的離子凝膠覆蓋通道和柵極的區(qū)域來(lái)獲得最終裝置。該器件可以在單柵極或雙柵極模式下工作，其突觸響應(yīng)可以通過(guò)電或光脈沖調(diào)制。多感官整合使用市售的IMU模塊（BWT901，WitMotion）作為傳感器，它包括一個(gè)加速度計(jì)（XYZ軸），陀螺儀（XYZ軸），磁力計(jì)和一個(gè)藍(lán)牙模塊（用于無(wú)線通信）。加速度和角速度的雙峰運(yùn)動(dòng)信號(hào)以100 Hz的采樣率同時(shí)從傳感器獲取，并通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)一步傳輸?shù)郊夥寰幋a電路。尖峰編碼電路在與低功耗微控制器（ATmega328P，Microchip）集成的定制柔性印刷電路板（FPCB）中實(shí)現(xiàn)，該微控制器被編程為將雙峰運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為具有時(shí)空模式的兩個(gè)尖峰序列（5 V）（尖峰轉(zhuǎn)換的偽代碼顯示在補(bǔ)充說(shuō)明5中）。對(duì)一軸加速度和角速度信號(hào)進(jìn)行編碼，并采用帶閾值的尖峰速率編碼來(lái)設(shè)置尖峰序列的瞬時(shí)頻率（25或50 Hz）。這種編碼策略可確保在尖峰轉(zhuǎn)換后很好地保留輸入信號(hào)的時(shí)間模式。隨后，對(duì)應(yīng)于兩種感覺(jué)模式（即慣性和速度）的兩個(gè)尖峰序列被發(fā)送到突觸晶體管的兩個(gè)柵極。最后，突觸晶體管在兩個(gè)尖峰序列的同時(shí)刺激下產(chǎn)生突觸后電流。這個(gè)過(guò)程在我們的神經(jīng)形態(tài)運(yùn)動(dòng)認(rèn)知系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)感覺(jué)線索的并行和有效整合，模擬了哺乳動(dòng)物大腦中的多感官整合過(guò)程。此外，通過(guò)更換我們系統(tǒng)中的傳感器可以獲得不同的感官線索。例如，使用光流、振動(dòng)觸覺(jué)和加速度計(jì)傳感器構(gòu)建傳感模塊，分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)眼部、觸覺(jué)和前庭感官線索的采集。使用我們的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩種不同感官線索的雙峰感覺(jué)統(tǒng)合（包括視覺(jué)-前庭線索的整合和振動(dòng)觸覺(jué)-前庭線索的整合）（補(bǔ)充注4）。運(yùn)動(dòng)認(rèn)知設(shè)置通過(guò)將IMU傳感器粘附在成人受試者的皮膚（胸部，前臂，手）上來(lái)識(shí)別人類活動(dòng)，包括身體運(yùn)動(dòng)，旗幟信號(hào)和手勢(shì)。無(wú)人機(jī)飛行模式的識(shí)別是通過(guò)將IMU傳感器安裝在略微修改的四軸飛行器無(wú)人機(jī)上進(jìn)行的（Tello，Ryze Tech;重量84克）。IMU傳感器獲取的雙峰運(yùn)動(dòng)信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線發(fā)送到尖峰編碼電路，編碼為兩個(gè)電壓尖峰序列，并由突觸晶體管處理。當(dāng)?shù)却龝r(shí)間后未檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)信號(hào)時(shí)，該器件由負(fù)尖峰復(fù)位（T等).該器件的復(fù)位操作通過(guò)使用電容器-二極管電路實(shí)現(xiàn)（圖）。S45），產(chǎn)生負(fù)電壓尖峰（補(bǔ)充注2），而信號(hào)檢測(cè)功能直接在微控制器中實(shí)現(xiàn)，可以用簡(jiǎn)單的電路進(jìn)一步代替。通過(guò)這種方式，設(shè)備可以以連續(xù)的、基于事件的方式運(yùn)行。為了完成識(shí)別任務(wù)，執(zhí)行了一個(gè)訓(xùn)練過(guò)程來(lái)獲取分類的決策邊界。三個(gè)硬件輸出，包括加速度和陀螺尖峰的平均點(diǎn)火率（f行政協(xié)調(diào)會(huì)和 f陀螺）和裝置的突觸響應(yīng)（突觸后電流ΔPSC的變化）以相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)類型記錄。平均觸發(fā)率（相對(duì)值）定義為峰值數(shù)與事件持續(xù)時(shí)間的比率，事件持續(xù)時(shí)間（無(wú)單位）以最短峰值持續(xù)時(shí)間的單位計(jì)數(shù)。決策邊界被簡(jiǎn)單地設(shè)置為兩個(gè)相鄰水平的中點(diǎn)（在支持信息中解釋）。然后，執(zhí)行測(cè)試過(guò)程以使用決策樹(shù)方法預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)類型。決策樹(shù)方法（在支持信息中解釋），用于比較硬件輸出 （f行政協(xié)調(diào)會(huì)， f陀螺和ΔPSC）及其決策邊界，在微控制器中實(shí)現(xiàn)，用于識(shí)別運(yùn)動(dòng)信號(hào)。我們系統(tǒng)的信號(hào)流示意性地如圖所示。S46，以及有關(guān)數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理和參數(shù)檢測(cè)的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)補(bǔ)充說(shuō)明6。表征和測(cè)量使用掃描電子顯微鏡（Apreo-S，賽默飛世爾）、透射電子顯微鏡（Talos F200X G2，賽默飛世爾）、原子力顯微鏡（Dimension Icon，布魯克）、X射線衍射儀（Ultima IV，理學(xué)）、紫外可見(jiàn)光譜（Cary 5000，安捷倫）、熒光光譜儀（FS5，愛(ài)丁堡儀器）和共聚焦拉曼成像系統(tǒng)（XperRAM 200， 納米基座）具有光學(xué)顯微成像和拉曼映射功能。使用半導(dǎo)體器件分析儀（B1500A，安捷倫）分析離子凝膠的特性。使用配備半導(dǎo)體分析儀的探針臺(tái)（4200-SCS，吉時(shí)利）測(cè)量突觸晶體管的電氣特性。突觸晶體管（不含離子凝膠）的光學(xué)響應(yīng)是在氙氣光源（Gloria，Zolix）在250nm波長(zhǎng)下產(chǎn)生的光學(xué)尖峰下測(cè)量的。已經(jīng)從人類受試者那里獲得了簽署的知情同意書，可以使用圖像并進(jìn)行這項(xiàng)工作中描述的實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)研究（協(xié)議號(hào)NKUIRB2023003）已獲得南開(kāi)大學(xué)機(jī)構(gòu)審查委員會(huì)的批準(zhǔn)。數(shù)據(jù)可用性本研究中生成的數(shù)據(jù)在補(bǔ)充信息和源數(shù)據(jù)文件中提供，或根據(jù)合理要求從通訊作者處提供。本文提供了源數(shù)據(jù)。代碼可用性尖峰轉(zhuǎn)換函數(shù)和決策樹(shù)方法的代碼可從通訊作者處獲得，并根據(jù)合理要求提供詳細(xì)說(shuō)明。引用Hou， H.， Zheng， Q.， Zhao， Y.， Pouget， A. & 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