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孫其君研究員課題組現(xiàn)有研究人員10人，包括博士研究生5名，碩士研究生5名。目前課題組依托中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所，以納米能源與納米系統(tǒng)核心技術(shù)為研發(fā)目標(biāo)，在壓電/摩擦電勢調(diào)制半導(dǎo)體器件、電子皮膚傳感器、可穿戴自充電能源包等領(lǐng)域開展基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。代表性成果如下：

（1）壓電調(diào)控半導(dǎo)體器件：調(diào)控溝道費米能級（ACS Nano 2019, 13, 582）；調(diào)控肖特基勢壘（Nano Energy 2018, 50, 598）；壓電勢寫入式非易失性存儲器（ACS Nano 2016, 10, 11037）；壓電勢驅(qū)動電子皮膚（Adv. Mater. 2015, 27, 3411）。

（2）摩擦電勢調(diào)控半導(dǎo)體器件：摩擦調(diào)制硫化鉬雙電層晶體管（Adv. Mater. 2019, 31, 1806905）；摩擦電勢調(diào)控雙柵晶體管（Adv. Mater. 2018, 30, 1705088）；直接接觸式摩擦電子學(xué)電子皮膚（ACS Nano 2018, 12, 9381）。

（3）電子皮膚傳感器：自驅(qū)動多級傳感器陣列（ACS Nano 2018, 12, 254）；高靈敏濕度傳感器陣列（Adv. Mater. 2017, 29, 1702076）；可延展多功能全石墨烯傳感器（Adv. Mater. 2016, 28, 2601）。

（4）壓電/摩擦電勢調(diào)控微納器件：壓電/摩擦電自充電智能變色能源包：（Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1800069）；壓電/摩擦電高穩(wěn)定納米發(fā)電機(jī)（Nano Energy 2019, 57, 440）。

壓電調(diào)制石墨烯人工傳感突觸

隨著人工智能熱潮的興起，對于高性能的分布式計算越來越苛求。經(jīng)典的馮·諾依曼架構(gòu)擅長面對預(yù)設(shè)的問題，提供精確的計算，順序解決結(jié)構(gòu)性問題。在智能化社會里，面對人機(jī)交互的大量傳感信息，傳統(tǒng)計算機(jī)只能被迫預(yù)設(shè)答案，其復(fù)雜度會指數(shù)級遞加，因此必須要尋求一種主動式、事件驅(qū)動型的信息處理方式。

觸控操作是當(dāng)前智能設(shè)備的主流交互手段，依據(jù)去中心化計算模型處理觸覺信息的思路，中科院北京納米能源所的孫其君課題組提出了一種能夠通過外界應(yīng)變的時空特征來調(diào)節(jié)權(quán)重的石墨烯人工傳感突觸（圖1）。該系統(tǒng)包括感測、傳輸和處理單元，可以簡單地看作一個感知神經(jīng)系統(tǒng)。基于在離子凝膠和石墨烯界面處形成的雙電層，壓電電勢可以取代柵壓對人工突觸器件進(jìn)行有效地調(diào)控。這項工作代表著將主動式神經(jīng)形態(tài)電子皮膚用于機(jī)器人和假肢的方向又前進(jìn)了一步。

圖1. 生物傳感過程與人工感知突觸器件示意圖
（來源：Adv. Funct. Mater.）

圖2. 晶體管器件的基本性能和工作機(jī)理
（來源：Adv. Funct. Mater.）

生物神經(jīng)傳導(dǎo)領(lǐng)域的深入研究促進(jìn)了模仿神經(jīng)感知反饋的觸覺信息處理系統(tǒng)的進(jìn)一步完善。突觸電子學(xué)作為仿生神經(jīng)形態(tài)計算中的一個新興領(lǐng)域展現(xiàn)出了強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。突觸可塑性是對感知信號執(zhí)行分布式計算的基礎(chǔ)，依據(jù)權(quán)重在信號的傳輸過程中進(jìn)行初步加工。突觸是生物信號在神經(jīng)纖維中進(jìn)行傳輸?shù)奈锢砉?jié)點，具備雙向可塑性。其權(quán)重不光可以增加，以代表一個強(qiáng)化學(xué)習(xí)的行為，也可以抑制，以保持神經(jīng)系統(tǒng)的整體低功耗特性（圖3）?；谥悄軌弘娋w管模擬的人工突觸有助于搭建機(jī)器人傳感的神經(jīng)形態(tài)界面和實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)，具有模擬實現(xiàn)神經(jīng)系統(tǒng)的尖峰時序依賴塑性功能的必備條件，還有通過脈沖神經(jīng)算法來實現(xiàn)人工智能的無監(jiān)督學(xué)習(xí)、動作捕捉和模式識別的潛力。

圖3. 人工突觸的可塑性調(diào)節(jié)展示
（來源：Adv. Funct. Mater.）

多感知反饋可以在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之間建立起動態(tài)時空邏輯關(guān)系（圖4）。這是感知突觸不同于經(jīng)典的傳感器，而獨具的神經(jīng)形態(tài)計算特性。作為空間分辨的基本性能，器件對于不同信號源的輸入有不同的響應(yīng)。對于不同順序的刺激脈沖，器件的響應(yīng)程度也不同，以實現(xiàn)時間分辨的基礎(chǔ)。同時，此人工突觸還展示了分別對應(yīng)于壓縮應(yīng)變和拉伸應(yīng)變的邏輯關(guān)系，這是未來構(gòu)建更加復(fù)雜和多功能的大規(guī)模人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本單元，實現(xiàn)并行知覺計算系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

圖4. 基于動態(tài)時空邏輯的多感知反饋
（來源：Adv. Funct. Mater.）

這項工作可能為自驅(qū)動人工智能和神經(jīng)機(jī)器人鋪平道路。研究結(jié)果以“Piezotronic Graphene Artificial Sensory Synapse”為題發(fā)表于Adv. Funct. Mater.，陳有輝、高國云、趙靜為共同第一作者。以此工作為基礎(chǔ)并拓展，孫其君課題組目前已完成后續(xù)更加智能和系統(tǒng)性的工作。