Energy Reviews | 应用于神经形态电子器件的摩擦电纳米发电机
文章题目：Triboelectric nanogenerator for neuromorphic electronics关键词：Triboelectric nanogenerator, Neuromorphic electronic, Memory, Artificial synapse,
Artificial neuron,Tactile perception system
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772970223000019
近日，深圳大学周晔教授联合英国格拉斯哥大学Vellaisamy A.L. Roy教授团队在Energy Reviews发表文章“Triboelectric nanogenerator for neuromorphic electronics”本文讨论了摩擦电纳米发电机（TENG）在神经形态器件中的最新研究趋势。TENG本身具有传感和能量转换的特点，既可以作为触觉传感器应用于人工感觉神经系统，也可以作为电源来开发自供能神经形态器件，文章最后从TENG触觉感知性能提升（线性、有效感知范围等）、器件集成、TENG-神经形态器件研究（如TENG-忆阻器、人工神经元、低功耗感觉识别等）等方面进行了探索和展望。
01内容简介
1. Introduction (前言)
2. TENG for memory devices（TENG在数据存储方面的应用）
3. TENG for artificialsynapses（TENG在人工突触方面的应用）
4. TENG for artificial neurons（TENG在人工神经元方面的应用）
5. Summary and outlooks（总结和展望）
02内容亮点
1、TENG本身具有传感和能量转换的特点，可以作为触觉传感器应用于人工感觉神经系统，也可以作为神经形态器件的电源；
2、文章分析了摩擦电纳米发电机在数据存储、人工突触和人工神经元领域的最新进展；并介绍了TENG在神经形态器件领域的未来发展方向；
3、重点研究了TENG在记忆器件、人工突触和人工神经元方面的相关工作，进行了系统的比较，并提出了未来研究的可能性和挑战，促进TENG基神经形态电子学的发展。
03内容导读
构建基于神经形态电子器件的神经网络计算系统，是在硬件层面突破冯·诺依曼瓶颈，实现数据高效、低功耗处理的有效途径。摩擦电纳米发电机（TENG）具有触觉传感和能量转换两种功能，可以在自供能神经形态器件中作为传感器或电源用于数据存储和生物突触/神经元行为的模拟，进一步降低能耗，为近几年研究的热点。静电耦合效应是TENG的基本性能，可以用来驱动场效应晶体管（FET）或铁电材料的极化，因此TENG可以作为电源与铁电或浮栅型FET相连，构建自供能存储器件。通过重新定义TENG摩擦层起始点位置（d0），可以实现距离控制的写入与擦除操作和数据的多级存储；另外，将TENG与两端忆阻器相连，也可以实现数据的触摸写入。
在人工突触领域，利用静电耦合效应结合d0的重新定义，科研工作者们将TENG与各种FET人工突触器件（如铁电、光电、浮栅、半浮栅与离子栅型FET等）相连接，进行生物突触可塑性模拟；并结合TENG本身的传感特性，应用于智能触觉/听觉/震动/旋转识别、逻辑电路、多模态感觉识别等；值得注意的是，利用TENG本身的自供能特性，可以构建超低功耗的人工突触，其能耗与生物突触（~10 fJ/spike）接近。
在人工神经元领域，将TENG与阈值型忆阻器相连，可以构建自供能痛觉神经元及人工机械感受器等，用来模拟人体感觉神经系统行为，如痛觉的“阈值”、“弛豫”及“痛觉过敏”等行为。模拟人体感觉神经系统编码行为，将TENG与震荡电路（如环形振荡器）相连接，可以实现机械刺激的频率依赖编码，避免传输过程中的信息丢失。
04重要结论
本文研究了TENG在神经形态器件领域的应用，并从结构组成及能耗等方面系统讨论了其在数据存储、人工突触和人工神经元领域的应用。TENG本身具有传感和能量转换的特点，既可以作为触觉传感器应用于人工感觉神经系统，也可以作为电源来开发自供能神经形态器件：
1、在静态/动态触觉感知方面，尽管TENG具有较好的分辨率和灵敏度，但其测量范围和线性度相对较差，并且，随着刺激强度的增加，灵敏度逐渐降低。其原因可能是多方面的，首先，TENG输出与接触面积直接相关，在低压力下，接触面积和输出随着压力的增大而增大，而在高压力下，接触面积达到饱和，导致灵敏度降低，线性及测量范围变窄；其次，动态触觉刺激下的输出与器件结构、刺激频率和强度有关，这些影响因素的复杂性增加了TENG对动态触觉刺激精确测试的难度；在摩擦层表面增加微观结构可以在一定程度上解决上述问题。另一方面，TENG的其他一些特性，包括柔性、可拉伸性和生物相容性等，都需要大力开发；
2、目前基于TENG的神经形态器件的研究主要集中在单个器件上，在硬件层面上实现人工神经网络的构建，实现像人脑一样高效、低功耗的信息处理，还有很长的路要走。其中，设备集成是阻碍其发展的重要障碍，因此，需要尺寸较小的TENG器件。当器件尺寸足够小时，需要通过优化摩擦层材料和器件结构进一步提高其性能，以提供足够的能量来驱动神经形态器件。另一方面，低能耗的神经形态器件也需要大力开发，其中，由于忆阻器具有集成度高、功耗低、尺寸小等特点，应更加受到重视，在开发TENG-忆阻器件时，为了避免引入整流电路，直流TENG是一种较好的选择；
3、人类可以通过各种感官体验世界，包括触觉、视觉、嗅觉、听觉和味觉。TENG的内在感知能力是对机械刺激(如按压、拉伸、震动和滑动)的感知，属于触觉和听觉范畴。将TENG与其他类型的传感器进行集成，构建自供能多模态传感系统来响应复杂环境刺激将会是一个有趣的研究方向。在此基础上，通过将TENG与神经形态器件连接，构建自供能多模态感觉识别系统，对仿生智能机器人具有重要意义；
4、目前基于TENG构建人工触觉输入神经还不能同时实现“全或无”和脉冲依赖编码功能，可以引入基于阈值型忆阻器的人工神经元电路与TENG连接，构建自供能的人工触觉输入神经。还可以在该系统中引入人工突触器件，形成具有感知、编码、计算三位一体能力的感觉识别系统；随着对工作机理的深入研究和擦电新材料的开发，将探索出体积小、功能多、结构新颖的TENG。同时，具有新概念、新结构、新机制的神经形态器件也将持续开发出来，并与TENG集成，以探索新的应用。在可预见的未来，随着上述问题的解决，基于TENG的神经形态器件研究将取得丰硕的研究成果。
通讯作者简介：
周晔，深圳大学高研研究院研究员，博导，英国物理学会会士，皇家化学会会士，英国工程技术学会会士，研究兴趣包括信息存储与传感器件，在Science、Chem. Rev.、Nat. Electron.、Nat. Commun.、Matter、Adv. Mater.、Appl. Phys. Rev.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.、Mater. Today、Nano Today、IEEE EDL、IEEE TED等期刊发表论文100余篇，被引用8000余次，H-因子48，获授权中国与美国发明专利20余项。
引用信息：
Guanglong Ding, Su-Ting Han,Vellaisamy A. L. Roy, Chi-Ching Kuo, Ye Zhou, “Triboelectric nanogenerator for neuromorphic electronics”, Energy Reviews, 2023, 2(1): 100014
《Energy Reviews》是由深圳大学主办，联合 Elsevier出版集团创办的一本国际性、跨学科、高质量开放获取 (Open Access) 学术期刊，由谢和平院士担任创刊主编，美国工程院Derek Elsworth院士、中国科学院何雅玲院士、李永舫院士、香港理工大学倪萌教授担任联合主编。发表能源领域前沿方向、最新进展、发展趋势、权威观点等高质量学术文章，构建全球能源一流成果和一流学者的合作交流平台，向公众传播有影响力的能源领域研究成果。接收包括但不限于能源研究的新理论、新方法和新技术; 能源研究的多学科（材料、物理、化学、生物等）交叉融合探索技术; 化石能源低碳利用与CCUS; 氢能、可再生能源与储能先进技术; 新型能源转换方式探索与应用; 能源领域现代信息技术（人工智能，大数据）等相关方向的优质稿件。
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