【AM宁波材料所建所20周年专刊】面向人机交互的神经形态纳米离子器件：从材料到应用

人机交互（human-machine interaction，HMI）技术通过界面设备实现人机之间的通信，被广泛应用于智慧医疗、机器感知等领域。随着人工智能的兴起，人们希望构建可理解和响应人类意图的智能系统，进一步提升人机交互体验。神经形态纳米离子器件依赖电场作用下离子的重新分布来实现可靠的电导调制，与生物神经系统通过离子输运传递与处理信号具有高度相似性，在构建神经形态硬件系统方面扮演关键角色。该类器件具有并行处理、自适应学习、事件驱动和高效处理海量数据等独特优势。依靠离子驱动的电导转换行为，该类器件可以高度仿生生物神经系统的信息处理功能，如突触可塑性和神经元放电等，从而能够执行学习、记忆、识别和决策等认知任务。将神经形态纳米离子器件融入到HMI技术中，不仅能够突破传统电子设备的限制，而且可为新型生物接口的发展提供了契机，有望实现全新的HMI交互模式。

近日，中国科学院宁波材料技术与工程研究所柔性磁电功能材料与器件团队在Advanced Materials期刊上发表了题为“Neuromorphic Nanoionics for Human-Machine Interaction: From Materials to Applications”的综述文章（DOI: 10.1002/adma.202311472），回顾了神经形态纳米离子器件的研究进展，并强调了其在推动和促进人机交互领域发展方面的巨大潜力。论文首先解释了纳米离子忆阻器和栅控晶体管的基本机制和行为，强调了离子迁移在器件工作过程中发挥的重要作用，介绍了基于器件模拟的学习、记忆、编码、识别和时空信号处理等神经形态功能，并对器件可靠性、能源效率、柔性及生物相容性等关键性能指标进行了评估。而后深入探讨了神经形态纳米离子器件在可穿戴电子设备、机器感知、医疗诊断及脑机接口等新兴人机交互领域的最新进展，展现了该器件的应用潜力。最后对神经形态纳米离子器件的未来进行了展望，探讨了其在下一代人机交互技术领域面临的挑战。作者指出，未来发展需要进一步探索新型离子材料和器件以模拟神经元、突触更为丰富的离子过程和功能，应注重实时响应性和可靠性以及系统整体集成，以推动实际应用。

宁波材料所博士研究生刘雪蓉、博士后孙翠、博士后叶晓羽为论文第一作者，宁波材料所朱小健研究员、阿尔托大学（芬兰）檀洪伟研究员、宁波材料所李润伟研究员为论文通讯作者，本研究得到了国家自然科学基金（62174164、U23A20568、U22A2075）、国家重点研发计划项目（2021YFA1202600）、浙江省自然科学基金（LDQ23E020001）、中国科学院上海分院人才计划（CASSHB-QNPD-2023-022）、宁波市科技计划项目（2022A-007-C）、宁波市重点研发计划项目（2023Z021）等项目的支持。

图1 面向人机交互的神经形态纳米离子学技术

（磁性材料与器件重点实验室）