在當(dāng)今快速演進(jìn)的人機(jī)交互智能時(shí)代，仿生可穿戴和植入式設(shè)備對(duì)個(gè)性化反饋和自適應(yīng)能力的需求日益迫切。然而，現(xiàn)有的仿生視覺設(shè)備往往缺乏尺度模量可變形光敏材料，且為實(shí)現(xiàn)光學(xué)神經(jīng)功能集成而存在復(fù)雜的冗余制造工藝，在機(jī)械應(yīng)變下常出現(xiàn)性能嚴(yán)重退化的問題，凸顯了在實(shí)現(xiàn)延展性和多功能性方面存在的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。有機(jī)材料憑借其優(yōu)異的生物相容性、機(jī)械順應(yīng)性和可調(diào)諧光電特性，成為解決這些難題的理想候選。近日，一項(xiàng)發(fā)表于《自然·通訊》的研究成果，通過(guò)創(chuàng)新的多維相分離誘導(dǎo)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，成功開發(fā)出全有機(jī)本征可拉伸神經(jīng)形態(tài)視覺自適應(yīng)晶體管，為實(shí)現(xiàn)類膚神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)提供了革命性技術(shù)方案。

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所郭云龍研究員、趙志遠(yuǎn)副研究員課題組提出了一種基于多維相分離誘導(dǎo)微網(wǎng)的缺陷可調(diào)粘彈性光敏體異質(zhì)結(jié)，用于構(gòu)建全有機(jī)本征可拉伸神經(jīng)形態(tài)視覺自適應(yīng)晶體管。該器件在100%雙軸機(jī)械應(yīng)變下仍能保持高光敏性和多模態(tài)寬波長(zhǎng)光自適應(yīng)能力。尤為突出的是，該全有機(jī)本征可拉伸視覺自適應(yīng)晶體管實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的0.4秒超快自適應(yīng)時(shí)間，并達(dá)到88.4%的高節(jié)能比。此外，還實(shí)現(xiàn)了低至44.37%的雙脈沖抑制指數(shù)，展現(xiàn)了減少異常放電和恢復(fù)正常神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能的能力。這種卓越的仿生視覺自適應(yīng)系統(tǒng)能夠處理精細(xì)的時(shí)變智能信息轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)高度誤導(dǎo)性的加密無(wú)線光通信，并成功構(gòu)建了對(duì)比視覺自適應(yīng)像素，用于極端環(huán)境下的高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)模擬。相關(guān)論文以“Intrinsically stretchable all-polymer neuromorphic visual adaptive transistors based on multidimensional-phase-separation-induced micromesh”為題，發(fā)表在

Nature Communications

研究人員通過(guò)利用給體聚合物DPP-DTT、受體聚合物N2200和高極性彈性體聚氨酯（PU）構(gòu)建了全聚合物體異質(zhì)結(jié)。由于不相等的表面能和熱力學(xué)作用，范德華力促使了獨(dú)特的多維相分離誘導(dǎo)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的形成。原子力顯微鏡和掃描電鏡表征顯示，隨著PU的加入，復(fù)合聚合物薄膜呈現(xiàn)出孤立的微球域分散在聚合物纖維網(wǎng)絡(luò)中，形成直徑約0.8微米、深度15納米的孔洞。這種微網(wǎng)結(jié)構(gòu)在三維空間中多維分布，不僅為薄膜提供了充足的應(yīng)力耗散位點(diǎn)以保持優(yōu)異彈性，還為光電神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用提供了多級(jí)可調(diào)缺陷態(tài)。通過(guò)掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡進(jìn)一步確認(rèn)了各組分分布：PU主要集中在孤立孔洞區(qū)域并在周圍表面形成薄覆蓋層，而DPP-DTT/N2200則主要分布在連續(xù)區(qū)域。開爾文探針力顯微鏡測(cè)試表明，與原始薄膜相比，混合薄膜在光照后因缺陷態(tài)捕獲光生空穴而導(dǎo)致表面電位明顯下降，證實(shí)了缺陷態(tài)的可調(diào)性。二維掠入射廣角X射線散射結(jié)果顯示，MPSM薄膜的結(jié)晶度和取向性降低，表明其引入了豐富的本征缺陷態(tài)。

圖1. 具有多維相分離誘導(dǎo)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的全聚合物光敏體異質(zhì)結(jié)。 a 用于異質(zhì)結(jié)的給體-受體聚合物和極性彈性體的結(jié)構(gòu)式。 b 人眼的視覺適應(yīng)機(jī)制與高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)模擬。 c 應(yīng)變不敏感體異質(zhì)結(jié)中雜化趨勢(shì)的示意圖。 d-g 純給體-受體聚合物異質(zhì)結(jié)薄膜（上）與含極性彈性體的雜化異質(zhì)結(jié)薄膜（下）的形貌對(duì)比。 d 原子力顯微鏡三維視圖。 e 原子力顯微鏡表面形貌圖。 f 原子力顯微鏡底面形貌圖。 g 掃描電子顯微鏡截面形貌圖。

圖2. MPSM薄膜的獨(dú)特性和普適性。 a 不同極性彈性體雜化（按極性降序排列）的形貌、薄膜性質(zhì)與光學(xué)功能之間的典型關(guān)系。 b 不同給體-受體半導(dǎo)體下的光敏性和薄膜性質(zhì)（粗糙度用RMS值表示）。 c 溫度對(duì)MPSM薄膜光敏性和孔洞率的影響。 d 彈性體比例對(duì)粘附性能的影響。 e 在1546 cm?1波長(zhǎng)下，用于給體-受體聚合物分布分析的掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡表征。 f 在1125 cm?1波長(zhǎng)下，用于彈性體分布分析的掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡表征。 g 孔洞率與缺陷態(tài)密度之間的相關(guān)性。 h 純給體-受體異質(zhì)結(jié)與雜化MPSM異質(zhì)結(jié)之間的電勢(shì)變化。 i 純給體-受體異質(zhì)結(jié)的掠入射廣角X射線散射圖像。 j 雜化MPSM異質(zhì)結(jié)的掠入射廣角X射線散射圖像。 k 不同彈性體比例下的面內(nèi)信息分析。 l 不同彈性體比例下的面外信息分析。

基于MPSM粘彈性光敏異質(zhì)結(jié)，研究團(tuán)隊(duì)制備了底柵頂接觸構(gòu)型的全有機(jī)本征可拉伸神經(jīng)形態(tài)視覺自適應(yīng)晶體管。該器件在近紅外光照下表現(xiàn)出高達(dá)10?的光暗電流比、優(yōu)異的光強(qiáng)調(diào)制能力和運(yùn)行穩(wěn)定性。由于引入的缺陷態(tài)，器件展現(xiàn)出獨(dú)特的光電流衰減行為，并隨光強(qiáng)變化產(chǎn)生多樣化的行為模式，這與視覺適應(yīng)過(guò)程相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，自適應(yīng)時(shí)間與微網(wǎng)孔洞率呈強(qiáng)負(fù)相關(guān)，隨著PU含量從30%增至70%，平均孔徑從0.18微米增至0.80微米，自適應(yīng)時(shí)間從30.4秒銳減至0.4秒。與普通光探測(cè)器相比，該器件實(shí)現(xiàn)了88.4%的節(jié)能比。通過(guò)定義光電流衰減至40%的時(shí)間為自適應(yīng)時(shí)間，研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)評(píng)估了器件在不同光強(qiáng)、柵壓和波長(zhǎng)下的自適應(yīng)行為，結(jié)果表明光強(qiáng)、柵壓和波長(zhǎng)均可有效調(diào)控自適應(yīng)速率和幅度，展現(xiàn)了多模態(tài)寬波長(zhǎng)光自適應(yīng)能力。

圖3. ISNVaT的光電識(shí)別與適應(yīng)行為。 a 基于MPSM薄膜的全有機(jī)本征可拉伸神經(jīng)形態(tài)視覺自適應(yīng)晶體管（ISNVaT）示意圖。 b 基于70% PU的ISNVaT在暗態(tài)和808 nm光照下的典型滯回轉(zhuǎn)移曲線。 c ISNVaT在不同強(qiáng)度808 nm光照下的典型轉(zhuǎn)移曲線。 d ISNVaT在不同波長(zhǎng)光照下的典型轉(zhuǎn)移曲線。 e ISNVaT的光強(qiáng)依賴性自適應(yīng)行為。 f 自適應(yīng)時(shí)間、彈性體比例和孔洞率之間的相關(guān)性。 g 自適應(yīng)行為帶來(lái)的能耗節(jié)省。 h 本工作與先前報(bào)道的自適應(yīng)器件（按有機(jī)和無(wú)機(jī)有源層分類）的自適應(yīng)時(shí)間對(duì)比。 i 提取的自適應(yīng)速率指數(shù)對(duì)光強(qiáng)的依賴性。 j 提取的自適應(yīng)速率指數(shù)對(duì)柵壓的依賴性。 k 提取的自適應(yīng)速率指數(shù)對(duì)波長(zhǎng)的依賴性。

得益于MPSM中彈性體富集孔洞提供的應(yīng)力耗散和聚合物半導(dǎo)體纖維保證的光電傳輸，該器件表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械耐久性。在高達(dá)100%的單軸拉伸應(yīng)變下，器件的開態(tài)電流和光暗電流比未出現(xiàn)明顯衰減；即使在25%雙軸應(yīng)變下經(jīng)過(guò)1000次拉伸-釋放循環(huán)，光開關(guān)行為仍能保持。更重要的是，在100%應(yīng)變下，器件的自適應(yīng)行為仍保持穩(wěn)定且可調(diào)。基于時(shí)間依賴的響應(yīng)和記憶特性，該器件無(wú)需獨(dú)特架構(gòu)設(shè)計(jì)即可融合光適應(yīng)和雙脈沖抑制光合行為。雙脈沖抑制指數(shù)隨光脈沖間隔增加而逐漸增大，且可通過(guò)柵壓有效調(diào)控，在負(fù)柵壓下實(shí)現(xiàn)了低至44.37%的最優(yōu)PPD指數(shù)，這是目前抑郁性突觸晶體管中最低值之一。該機(jī)制可歸結(jié)為：光照下光生激子快速分離產(chǎn)生峰值光電流，隨后光生空穴逐漸被缺陷態(tài)捕獲導(dǎo)致光電流迅速下降，最終在載流子捕獲與釋放間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

圖4. 應(yīng)變不敏感性與抑制性突觸特性。 a 處于機(jī)械應(yīng)變下的ISNVaT陣列照片。 b ISNVaT的應(yīng)變耐受特性。 c ISNVaT在不同拉伸循環(huán)次數(shù)下的拉伸穩(wěn)定性。 d 不同應(yīng)變和柵壓下的光適應(yīng)行為。 e 多光脈沖下的抑制性突觸行為。 f 相同光脈沖對(duì)在不同光脈沖間隔和柵壓下的雙脈沖抑制指數(shù)。 g 不同光強(qiáng)和柵壓下（光照時(shí)間和間隔均為0.2秒）的雙脈沖抑制指數(shù)。 h 相同脈沖對(duì)條件下（光照條件相同，間隔0.2秒）不同波長(zhǎng)下的雙脈沖易化指數(shù)。 i MPSM異質(zhì)結(jié)薄膜中電荷輸運(yùn)和捕獲機(jī)制的示意圖。

基于視覺自適應(yīng)行為的豐富時(shí)變信息，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了先進(jìn)的視覺自適應(yīng)系統(tǒng)。通過(guò)提取自適應(yīng)行為的關(guān)鍵指標(biāo)并編碼，實(shí)現(xiàn)了高度誤導(dǎo)性的加密無(wú)線光通信：在特定編碼規(guī)則下，真實(shí)信息“PART”和“BOMB”被有效傳遞，而微小的時(shí)間條件偏移則會(huì)導(dǎo)致完全相反的虛假信息“FAKE”和“JUMP”，展現(xiàn)了卓越的信息安全保障能力。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了5×5晶體管陣列模擬視覺自適應(yīng)像素，并通過(guò)連接LED作為驅(qū)動(dòng)器，成功模擬了高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)在極端環(huán)境（如強(qiáng)光、霧天、事故變形）下的工作場(chǎng)景。與傳統(tǒng)非自適應(yīng)像素不同，自適應(yīng)像素在感知外部危險(xiǎn)時(shí)會(huì)立即發(fā)出強(qiáng)警報(bào)，然后在極短時(shí)間內(nèi)適應(yīng)至所需水平，從而清晰感知外部信息以分析當(dāng)前狀況，而傳統(tǒng)系統(tǒng)則會(huì)因持續(xù)警報(bào)而遮蔽外部信息。這種集感知、計(jì)算和決策于一體的自適應(yīng)系統(tǒng)，有望減少資源消耗，提升緊急情況下的響應(yīng)速度。

圖5. 面向光通信加密和ADAS模擬的先進(jìn)視覺自適應(yīng)系統(tǒng)。 a 與非自適應(yīng)光探測(cè)器相比，視覺自適應(yīng)行為豐富的多維信息。 b 自適應(yīng)行為的特定編碼本和規(guī)則。 c 不同波長(zhǎng)下的誤導(dǎo)性光加密通信行為，真實(shí)碼字“PART”被誤導(dǎo)為“FAKE”。 d 不同近紅外光強(qiáng)下的誤導(dǎo)性光加密通信行為，真實(shí)碼字“BOMB”被誤導(dǎo)為“JUMP”。 e 視覺自適應(yīng)像素電路和環(huán)境參考電路示意圖，其中視覺自適應(yīng)像素電路將近紅外輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為可見光輸出信號(hào)。 f 基于視覺自適應(yīng)晶體管和傳統(tǒng)光電晶體管的ADAS模擬對(duì)比示意圖。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，視覺自適應(yīng)系統(tǒng)避免了緊急情況下環(huán)境信息的遺漏。 g 極端天氣條件（如霧天）下的視覺自適應(yīng)系統(tǒng)ADAS模擬。 h 特殊碰撞變形情況下的視覺自適應(yīng)系統(tǒng)ADAS模擬。

該研究通過(guò)表面能和熱力學(xué)誘導(dǎo)的體異質(zhì)結(jié)工程，成功開發(fā)了具有本征可拉伸性、保持性光敏性和缺陷可調(diào)性的多維相分離誘導(dǎo)微網(wǎng)薄膜，并應(yīng)用于神經(jīng)形態(tài)光電子學(xué)?；贛PSM薄膜的優(yōu)異可調(diào)特性，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了全有機(jī)神經(jīng)形態(tài)視覺自適應(yīng)系統(tǒng)，其在極端環(huán)境下展現(xiàn)出卓越的智能時(shí)變信息處理能力。這種仿生視覺自適應(yīng)系統(tǒng)為視覺密碼學(xué)、仿生機(jī)器人和無(wú)人智能領(lǐng)域提供了一種普適性策略，預(yù)示著其在先進(jìn)可穿戴智能神經(jīng)形態(tài)光電子學(xué)領(lǐng)域的變革性潛力。