《Journal of Alloys and Compounds》：Investigating diffusion behavior and solid-state reaction mechanism in Si
3N
4-Y
2O
3 system by diffusion couple method
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人工痛觉感受器通过喷墨打印制备，采用TPU/MWCNTs压力传感器与Ag/NWO/Ag memristor串联结构，模拟生物痛觉的非适应性、阈值响应和敏化特性。在直流和脉冲激励下，memristor实现可调的非挥发性与挥发性特性，28×7阵列在脉冲回声池计算中分别达到95%和87%的图像识别准确率。该技术突破传统半导体工艺限制，为柔性电子和类脑计算提供新方案。
Jingchen Ma|Guanyao Zhu|Guoshu Dai|Xiaoyu Zhang|Shichang Tan|Xiao-Lin Wang|Zhen Liu
广东工业大学集成电路学院，广州，510006，中国
摘要
人工痛觉感受器具备实现储能计算的能力，在仿生机器人和电子皮肤领域展现出巨大潜力。然而，大多数痛觉感受器是通过传统的基于半导体的制造工艺制备的，这限制了它们在柔性电子器件或低成本智能系统中的应用。在本研究中，人工痛觉感受器由串联的压力传感器和忆阻器组成，通过喷墨打印技术在玻璃基板上制备而成。忆阻器采用Ag/Nb??W??O?? (NWO)/Ag结构，压力传感器则包含由热塑性聚氨酯弹性体（TPU）和多壁碳纳米管（MWCNTs）组成的复合压力传感层。通过调节顺应电流和脉冲宽度，忆阻器可以在易失性和非易失性状态之间切换。在直流和脉冲激励条件下的电气特性测试表明，该人工痛觉感受器对电压和压力刺激能够快速响应，实现了包括非适应性和敏感性在内的基本生物痛觉感受器特性。此外，利用NWO忆阻器的易失性和非线性特性，进一步构建了28×7阵列，并应用于储能计算中。该储能计算系统在数字图像识别方面的准确率为95%，在时尚图像识别方面的准确率为87%。这种喷墨打印制备的人工痛觉感受器为下一代智能传感系统和仿生机器人应用（如医疗监测、机器人感知、神经形态计算和先进的人机交互）带来了广阔前景。
引言
痛觉感受器是一种关键的传感器类型，能够识别包括机械应力、化学分子和极端温度在内的有害刺激，并将这些警告信号（动作电位）传递给中枢神经系统，从而触发运动反应以避免潜在的物理损伤。这类传感器具有非适应性、阈值响应和敏感性等独特仿生特性，使其在人工智能和机器人技术中具有广泛应用价值[1]、[2]、[3]、[4]。目前，大多数痛觉感受器（也称为触觉传感器）基于传统的场效应晶体管（FET），具有复杂的结构和制造工艺，这限制了它们在柔性智能系统中的集成和应用[5]、[6]、[7]。此外，基于FET的触觉传感器的高功耗和发热问题对电池供电和热敏感应用中的连续运行构成了挑战[8]、[9]。为了克服这些限制，由于忆阻器具有更小的特征尺寸、更低的功耗和更高的稳定性[10]、[11]、[12]、[13]、[14]，它们在人工痛觉感知领域越来越受到关注。
随着技术的进步，仿生机器人的功能正在逐渐扩展，信息处理速度也在不断提高。基于传统痛觉感受器开发计算功能，使得能够同时感知、处理和响应环境刺激的智能系统成为可能[15]、[16]、[17]。储能计算是一种利用物理系统内在动态进行计算任务的范式，因其能够在极低训练要求下处理时间信息而受到广泛关注[18]。与传统需要训练所有连接权重的神经网络不同，储能计算仅需要训练输出层，大大降低了计算复杂度。忆阻器的易失性开关特性和非线性动态使其成为实现物理储能计算系统的理想候选材料[19]。因此，本研究制备了基于忆阻器的人工痛觉感受器，并将其用于构建储能计算系统，以实现图像识别功能。
目前，大多数忆阻器采用光刻和溅射等半导体制造工艺制备，以便于集成到芯片中。这些传统工艺通常需要昂贵的设备和维护成本。减法制造等材料去除过程会产生大量废弃物[20]、[21]、[22]。此外，多步骤的制造流程使得从设计到成品的生产周期较长，从而限制了设计的灵活性和快速原型制作能力。喷墨打印技术无需掩模、成本低廉且可扩展，为人工痛觉感受器的制造提供了新的解决方案[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。据报道，喷墨打印技术已用于制备多种忆阻器，例如ZnO、WO?、MoS?、IGZO和Nb??W??O?? (NWO)[24]、[28]、[29]、[30]、[31]。其中，NWO因Kent J. Griffith等人在2018年的研究而受到广泛关注，因为它具有快速的金属离子交换、高循环稳定性和电化学氧化还原能力[32]、[33]、[34]。这些优异特性源于Nb?O?/WO?伪二元体系内的复杂结构化学。最近，Wei Liu等人成功使用溶胶-凝胶工艺制备了NWO薄膜，为通过喷墨打印制备NWO忆阻器奠定了基础[35]、[36]。在此基础上，可以进一步努力提高打印NWO忆阻器的性能，并扩展其在传感、存储和计算领域的应用。
本研究报道了通过喷墨打印制备的NWO忆阻器，该忆阻器通过调节顺应电流表现出易失性和非易失性开关特性。通过将忆阻器与TPU/MWCNTs（热塑性聚氨酯弹性体和多壁碳纳米管的复合薄膜）压力传感器串联，构建了人工痛觉感受器。这种人工痛觉感受器不仅模拟了生物痛觉感受器的关键功能（包括阈值响应、非适应性和敏感性），还展示了优异的循环稳定性和最小的器件变异。28×7阵列的痛觉感受器被应用于储能计算，实现了图像识别功能。这证明了喷墨打印技术在人工传感系统和神经形态计算应用中的潜力。此外，将传感和计算功能集成到单一设备平台中，为实现实时感知和决策的智能自主系统迈出了重要一步。
实验部分
实验方法
Nb??W??O??前驱体溶液通过混合草酸铌（Macklin）、偏钨酸铵（Macklin）和柠檬酸（Meilunbio）制备。首先，将0.40克偏钨酸铵和0.98克草酸铌溶解在4毫升去离子水和16毫升无水乙醇的混合液中，并在磁力搅拌下进行反应。30分钟后，加入1.5克柠檬酸作为络合剂。然后将混合物在60°C的加热板上进行2小时的磁力搅拌。
人工痛觉感受器的构建与结构表征
生物痛觉感受器位于皮肤表面，接收到压力和电刺激等刺激后，可以通过神经元将信号传递给大脑。为了模拟这一功能，提出了一种将压力传感器和忆阻器串联连接的人工痛觉系统（如图1a所示）。忆阻器负责接收和处理不同的电信号，而压力传感器则模拟生物皮肤的功能，用于感知伤害。
结论
总结来说，本文介绍了通过喷墨打印技术，结合TPU/MWCNTs压力传感器和Ag/NWO/Ag结构的忆阻器，设计并表征了一种人工痛觉感受器。忆阻器通过可调的I CC（顺应电流）表现出易失性和非易失性特性。该压力传感器能够响应低至7帕的压力，并具有优异的稳定性。基于此，这些设备能够准确模拟生物痛觉感受器的功能。
作者贡献声明
王晓林：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、实验研究。
张晓宇：方法论设计、数据管理。
刘振：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、实验研究。
马静晨：撰写初稿、验证、方法论设计、实验研究。
戴国树：形式分析。
谭世昌：数据管理、实验研究。
朱冠尧：撰写初稿、验证、方法论设计、实验研究。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了广东省科技计划项目（编号2022B0101180001）和河南省科技研究项目（编号252102210189）的支持。
