高灵敏丝素蛋白基生物忆阻器的构筑及神经突触仿生模拟

The biomimetic construction of neural network is of great significance for understanding and learning human brains, the key role of which is to construct synapse, the basic structure and functional unit. Memristors with non-linear resistance are ideal biomimetic synaptic device owing to their similar working mechanism. However, the biocompatibility and sensitivity of present memristors should be further improved for artificial synapse mimicking. In this project, it is proposed to fabricate flexible silk fibroin (SF)-based bio-memristors with excellent biocompatibility and high sensitivity by integrating with metal ions (Ag+, Fe3+) or conducting polymers (polyaniline nanosheet and polythiophene) to increase the number of ion channel, decrease migration distance and promote the formation of conductive path. To study the relationship between composition, microstructure and memristor performance, the condensed state structure of SF will be regulated. As a result, the strategy to fabricate bio-memristor with high sensitivity, excellent stability and low power consumption will be proposed. The micro-structural evolution and component change in the switching process will be elucidated to clarify the resistive switching mechanism of SF-based memristor for further performance optimization. Finally, the SF memristor will be used to mimic the learning and memory functions of synapse, such as long-term/short-term plasticity, synaptic-voltage-dependent plasticity and spike-rate-dependent plasticity. It may provide unique bioelectronic components and ideas for the biomimetic construction of neural networks.

神经网络的仿生构建对人类认识、学习大脑具有重要意义，其关键在于构建基本的结构及功能单元——神经突触。具有非线性电阻特性的忆阻器与神经突触的工作机制类似，是理想的神经突触仿生器件。但目前神经突触仿生用忆阻器的生物相容性、灵敏度仍有待提高。本项目以生物相容性优异的丝素蛋白（SF）及其单分子层纳米带为基本构筑材料，掺杂金属离子（Ag+、Fe3+）或导电聚合物（聚苯胺纳米片、聚噻吩）促进离子迁移通道数量增加、迁移距离减小及导电通路形成，构筑柔性生物基忆阻器；通过调控SF凝聚态结构，研究组分、微观结构与忆阻性能的构效关系，建立灵敏度高、工作电压低、信号传输稳定的生物忆阻器制备策略；研究阻变过程中微观结构演变及组分分布调整，阐明忆阻机制，为进一步优化忆阻性能提供理论指导；基于SF基忆阻器模拟神经突触长/短程可塑性、脉冲电压/频率依赖可塑性等学习记忆功能，为神经网络的仿生构建提供生物基元器件及设计思路。

加速开发可仿生神经突触的类脑器件对人类认识和学习大脑具有重要意义，忆阻器具有非线性电阻特性，是构筑仿生神经突触的理想器件。本项目以丝素蛋白（SF）为主体材料，通过与无机导电材料复合，构筑了多种SF基生物忆阻器，揭示了其忆阻机制，实现了对神经突触功能的仿生模拟，验证了在图像识别、逻辑运算和伤害感受等领域的应用。整合银离子掺杂与乙醇后处理，有效调控SF忆阻功能层的凝聚态结构，获得了工作电流、工作电压和启动功率分别为1 μA、0.7 V和0.7 μW的SF/Ag复合忆阻器。利用保用天然蚕丝结晶结构的丝素纳米微纤（SNFs）构筑了忆阻功能层厚度仅8 nm的纯丝素忆阻器，结合SNFs优异的本征离子导电性及高介电性能，SNFs忆阻器的工作电压大幅下降至0.1 V，可稳定循环近200次，数据保持时间达100000 s以上，同时可实现图像存储和逻辑运算功能。通过导电原子力显微镜与双对数拟合分析，证实了上述忆阻器的忆阻机制均为电荷捕获与去捕获机制。通过构建氧化石墨烯（GO）/SF/GO忆阻器，实现了三阻态存储，且通过调控工作电流（Icc）可与双阻态存储可逆切换。基于该忆阻器构建的仿真人工神经网络对MNIST数字的识别准确率可达92.3%，同时可对图像进行重构。为仿生模拟神经突触的“感存算”功能，本项目将制备的SF纤维忆阻器与外部压力传感器进行集成，构筑了人工压力伤害感受器，其不仅可模拟长/短程突触可塑性，而且可模拟“快痛”与“慢痛”反应，实现了对压力刺激的全方位实时感测。为进一步获得“感存算”功能一体化忆阻器，将SF与无机光感材料（TiO2、黑磷量子点）复合，获得了响应紫外光的SF光电忆阻器；而将SF与Al2O3复合，则可实现可见光对忆阻性能的调控，且可模拟双脉冲易化、长/短程突触可塑性等突触功能，为生物光电忆阻器在人工神经视觉系统中的应用提供了元器件及技术方案。本项目的研究为构筑高性能和功能化SF基生物忆阻器提供了新的思路和方法，并对拓展SF忆阻器在图像识别、类脑计算等领域的应用具有重要启示。