《前沿 | 忆感器-“感知+记忆”新器件》

  • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者: 胡思思
  • 发布时间:2025-08-04
  • 离子电子学iontronics推进着电子学和生物学之间融合,其中水介质中的离子迁移控制传感和记忆。然而,德拜Debye屏蔽效应,将电场限制到德拜长度,即移动离子屏蔽静电相互作用的距离,需要外部电压来限制操作速度和器件设计。

    近日,伯克利加州大学联合北京大学研究团队,在Nature Materials上发文,报道了一种基于二氧化钒(VO2)的高速内存传感器,并且利用德拜长度的内置电场,在没有外部电压的情况下工作。在盐溶液中,当VO2接触低功函数金属(例如,铟)时,电化学反应产生铟离子,在自然电场下迁移到VO2表面,诱导VO2表面绝缘体-金属相变。VO2电导增加率反映了盐浓度,实现了溶液的内存感测或memsensing

    “忆感器”是指融合“记忆(memory)”与“传感(sensing)”功能的器件,与部分文献中用于指代“记忆+电感”(meminductor)的“忆感器”不同。研究不仅实现了感知与记忆功能的物理集成,还展示了其在仿生智能导航中的潜力。

    通过将多个忆感器加装于小船底部,MemSensor模拟了秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)的的基于“盐历史记忆”化学导航行为,为水下机器人与环境智能交互提供了全新的低功耗解决方案。(注:器件的“感知”体现在电阻下降速率随盐浓度而变,“记忆”则源于掺杂引发的非易失相变,即使移除盐溶液后仍能保留电导状态)


    图1. 高速、无偏压的离子型忆感器


  • 原文来源:https://www.nature.com/articles/s41563-025-02312-9
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    • 来源专题:纳米科技
    • 编译者:郭文姣
    • 发布时间:2018-05-17
    • 技术创新既需要对过去的理解,也需要对未来有清晰的展望——正如memristive devices的发展所阐明的那样。 这个月标志着惠普实验室的研究人员报告了10年。乍一看,他们的单片纳米级记忆装置就像一个普通的双端电阻,但仔细观察就能发现更复杂的东西。横截面视图显示设备的三层:一层由二氧化钛夹在两个铂电极之间的“存储”层。这种内部存储层可以通过电刺激进行动态的重新配置,这种重构会产生一种记忆效应,设备的阻力取决于流经它的电流的历史。至关重要的是,一旦电源被移除,这个程序状态就不会消失。这种无源器件的功能不能被任何基本的双端电路元件(电阻、电容和电感器)的任何组合所复制,因此,它被标记为丢失的电路element2。 忆阻器的历史是迷人的,而且是长久的。在本期《自然电子》(Nature Electronics)杂志的逆向工程专栏文章中,Leon Chua解释了如何在1964年的普渡大学(Purdue University)修改过时的电路分析课程,让他第一次提出了这个装置。在1971年,Chua报告了他对一种装置的预测,这种装置的行为就像一个带有记忆的非线性电阻,然后他将其称为记忆体(记忆和电阻器的收缩)。37年后,由r·斯坦利·威廉姆斯(R. Stanley Williams)领导的惠普实验室(Hewlett Packard Labs)的团队将他们的实验观察与Chua的理论预测联系在一起,发现了第四种基本电路元素。 虽然这个基本的叙述——一个长期的理论概念和实验确认的例子——是有吸引力的,但记忆装置的历史更复杂。对非易失性的电阻转换的研究——换句话说,是记忆性行为——早在1960年就开始了。值得注意的是,对这种行为的研究可以追溯到1800s4早期,因此比电阻器(1827年的欧姆)和电感器(1831年的法拉第)都早。 一项新兴技术最初被抛弃或遗忘的原因可能有很多。对早期的记忆技术来说,时机很可能是一个问题:20世纪70年代,硅技术和数字计算革命取得了巨大进展。只要硅技术继续取得重大进展,人们就不太可能把注意力集中在记忆技术上。 最近,硅技术的进步已经减弱,对记忆技术的兴趣也在增强。魏鲁和他的同事们在基于记忆系统的电子产品的未来上撰文指出,记忆技术可以在三个方面有所帮助:芯片内存和存储,内存计算,以及生物激发的计算。以电阻性随机存取存储器的形式,密集封装的memristive devices可以直接集成在处理器芯片上。这样的配置可以通过消除处理器和内存之间的缓慢和能量密集型的芯片外通信来提高整体的能源效率和计算速度。内存中的计算采用了将处理器和内存之间的通信减少到极点的想法,创建了在计算和内存之间没有物理分离的系统。通过神经形态计算系统,记忆装置被设计成模拟生物突触和神经元。 正如鲁和他的同事所解释的那样,记忆装置具有许多对电子产品有利的特性。它们可以按比例缩小到低于10 nm的特征尺寸,保持记忆状态数年,并使用纳秒级的时间尺度转换。此外,这些设备可以提供长时间的写擦力,并且可以使用低电流的水平来编程(关于纳米安培的顺序)。然而,作者也承认,将上述所有属性结合起来的单一材料系统仍然难以捉摸。 对于任何设备的技术开发来说,关键是要了解管理其操作的底层流程。在设备层面,近年来已经获得了相当多的关于内存转换的见解,主要是由于开发了高级的特性工具,可以探测驱动转换的过程。在这一期的一篇评论文章中,Yuchao Yang和Ru Huang研究了在氧化物记忆电阻器中用于描述记忆转换的不同技术,并基于每种方法的相对优势和弱点,提出了对这些器件进行物理表征的一般框架。 对记忆行为的研究超越了威廉姆斯及其同事在惠普实验室的工作,而对过去的了解当然是研究中必不可少的。但观察(或重新观察)的价值是什么,却没有意义?威廉姆斯和他的同事们,以蔡美儿37年前的富有想象力的洞察力为基础,重建了记忆技术,并激发了新一代的研究人员去追求这项技术。在2008年的论文中,惠普实验室的研究小组建议,记忆电阻器可以用来传递诸如“ultradense,半非易变的记忆和学习网络,需要类似突触的功能”的应用。今天,这些应用程序exist5。它往往既是对过去的理解,也是推动创新的未来的清晰愿景。
  • 《前沿 | 使用形状记忆聚合物进行快速4D打印》

    • 来源专题:光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者:husisi
    • 发布时间:2023-12-25
    • 形状记忆聚合物或变形材料是近年来在材料科学和生物医学工程领域受到广泛关注的智能材料,用于构建智能结构和设备。数字光处理是一种基于还原光聚合的方法,其技术速度明显更快,只需一步即可打印出完整的层,从而创建智能材料。 沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的电气和计算机工程以及核工程科学家团队开发了一种简单快速的方法,使用数字光打印3D打印机和定制树脂3D打印基于形状记忆聚合物的智能结构。 他们将液晶与树脂相结合,将形状记忆特性引入直接3D打印热响应结构,同时避免了树脂制备的复杂性。该团队打印了具有不同几何形状的结构,并测量了形状记忆响应。形状记忆聚合物可以方便地用作智能工具、玩具和超材料。 该论文发布在NPG Asia Materials杂志上。 形状记忆聚合物属于一类双形状智能聚合物,可以响应环境参数发生机械变形并恢复到原来的形状。形状记忆聚合物的回收取决于外部刺激的应用,如热、光、电、湿度和pH值变化。 这种材料是变形结构,近年来由于其多功能性和工业可行性而引起了相当大的兴趣。研究团队展示了通过数字光处理4D打印形状记忆聚合物;一种基于还原光聚合的3D打印方法。研究结果强调了3D打印复杂结构对各种应用的适用性。 研究团队通过研究形状诱导和恢复过程,研究了3D打印样品的形状记忆效应。该方法允许轻松和高分辨率地打印复杂的 3D 设计。这些结构在各种应用中都很有用,如灵活的智能贴片、尺寸可变的机械工具和可变形的玩具。在这项工作中,Alam及其同事开发了一种基于液晶与光固化树脂混合的形状记忆聚合物,以开发一种半结晶聚合物,并基于先前的研究描述了其作用机制。 该团队通过使用扫描电子显微镜观察了有或没有液晶的3D打印横截面的内部形态。然后,他们观察了形状记忆聚合物相对于其承重后恢复能力的反应。本工作展示了 3D 数字光处理对创建具有 4D 效果的形状记忆聚合物的影响。科学家们量化了形状记忆响应,以显示恢复角与时间的比率。 研究人员探索了3D打印智能记忆聚合物的有前途的应用。为了实现这一目标,Alam及其同事通过对狗骨试样进行拉伸测试来确定材料的机械性能,以展示如何通过调节晶格结构的形状来调整印刷材料的机械性能。 他们通过进行有限元模拟证实了智能材料的机械可调性,并将实验结果与有限元分析的拉伸试验进行了比较。通过实验观察和仿真预测的二维晶格的力学性能一致。基于柔韧性和可拉伸性,Alam和团队测试了样品的应变测试和关节移动传感应用。 为了通过聚合物集成促进关节运动,科学家们应用了一种纳米银基导电涂层作为电极,这需要进一步优化打印参数。科学家们通过拉伸和压缩结构来测量电阻的变化,以促进患者的运动。 对所制备的晶格电极贴片的电阻测量结果表明,该贴片具有作为关节运动传感智能贴片的潜力;这可以应用于人类的膝盖、肘关节、假肢或真实肢体以感知运动。这种电极贴片可以在简单快速的制造工艺下根据患者的体型进行定制。 通过这种方式,Fahad Alam及其团队提出了一种3D打印智能材料的方法,首先使用形状记忆聚合物,通过数字光处理轻松快速地制造。科学家们定制了3D打印的物体,以创建随时间变化的结构,这被称为4D打印。他们通过将液晶与树脂相结合,并使用商用桌面打印机进行打印来实现这一目标。研究人员使用这种方法制造了各种复杂的物体,包括格子贴片、可折叠玩具、智能包装和机械扳手。 科学家们将这些物体置于高温下,暂时改变它们的形状,并用于随后的形状恢复应用。该团队使用拉伸测试来展示形状记忆聚合物的可调节性,以满足生物医学工程中的特定应用。这种 3D 打印晶格贴片非常适合关节运动应用中的应变传感。研究人员记录了3D打印智能贴片的电阻变化,以检测患者假肢关节和手臂的运动。