67、有机忆阻器件在仿生应用中的探索

有机忆阻器件在仿生应用中的探索

1. 忆阻器件的学习能力

忆阻器件已成功展示出学习能力，包括运用类似生物的尖峰时间依赖可塑性（STDP）规则进行学习。有机忆阻器件具有诸多优势：
- 低开关电压，可低至 1V。
- 高关态/开态电阻比（Roff/Ron），最高可达 10⁴。
- 长保持时间，不少于 10⁴ 秒。
- 多级电阻切换，至少有 16 个稳定的电阻状态。

实验表明，这些忆阻元件可通过尖峰学习机制进行训练。例如，经典条件反射模型（电子“巴甫洛夫的狗”）已通过有机忆阻器件实现为简单的神经形态电路。

2. 迈向突触假体

突触是连接两个神经元的生物结构，能实现特定的单向信息流（兴奋或抑制）。突触连接是神经网络的关键元素，其可塑性是学习和记忆的基础。

为了恢复因创伤或其他病理导致的突触功能丧失，可以引入电子突触直接连接神经元。只要这些人工突触能重现自然突触的主要特征，包括可塑性，就能实现这一目标。此外，开发具有前所未有的特性的电子突触，可能会创造出具有非凡能力的半机械人。

下面是一个实验示例，用于实现突触假体的初步探索：
- 实验材料 ：使用大鼠脑切片中未连接的第 5 层锥体神经元对进行膜片钳记录。
- 实验过程 ：
1. 最初，通过负电压加载将忆阻器件电阻设置为高值。
2. 在“突触前”细胞 1 中，通过超阈值去极化步骤诱导动作电位（APs）。
3. 由于忆阻器件初始电阻高，细胞 1 中的 APs 仅在“突触后”细胞 2 中产生亚阈值去极化响应。