人類可以憑借強大的智能視覺系統，在低能耗的條件下清晰有效地感知周圍環境。因此，基于新器件來構建一種高效的智能視覺系統是人類夢寐以求的目標。然而，當前的人工視覺傳感裝置仍然還需要進一步整合智能感知能力。

痛覺感受器作為保護人體的關鍵感知神經元，其在人體仿生傳感裝置中的應用尚需進一步開發。有鑒于此，為了實現真正多功能的視覺整合，開發一種能夠將光電信號完美轉換為視覺疼痛信號的簡易器件具有重要意義。

近日，中南大學蔣杰副教授與華東師范大學田博博研究員、南京大學萬青教授合作提出了一種基于柔性垂直超短溝道晶體管的“可視”痛覺網絡，實現了光電混合感知的“可視”痛覺神經網絡仿生。

相關工作以“Flexible Vertical Photogating Transistor Network with an Ultrashort Channel for In-Sensor Visual Nociceptor”為題，于2021年6月在線發表于Advanced Functional Materials雜志上。

受到生物視覺痛感受器保護系統的啟發，在本研究中，基于柔性垂直多光柵調控的氧化物晶體管，成功實現了一種具有疼痛感知能力的人工視網膜系統。器件網絡結構以及生物視覺智能傳感的示意圖。

研究人員對構建的柔性垂直氧化物晶體管進行了一系列深入表征。發現在富氧真空濺射環境制備In-Sn-O （ITO）薄膜可以有效降低氧空位，使ITO的導電能力變弱。研究人員對通氧后ITO 原子晶格、材料形貌進行了表界面分析，同時也對器件做了相應的柔性測試。

采用海藻酸鈉（SA）生物材料可以同時作為柔性自支撐基底和離子耦合柵介質材料，使其表現出了優異的器件性能。

該器件不僅能對光信息有很好的感知和存儲能力（可以使光響應短程記憶（STM）到長程記憶 （LTM）進行轉變），同時這種光響應行為還可以通過電學刺激來進一步調節。理論分析發現這主要歸因于光柵效應（Photogating effect）對器件產生的影響。

施加光照的時候，電子被限制在一個狹窄的區域內，導致了輸運電子和被困空穴之間的空間分離，減少了它們的復合，提高了載流子壽命。當柵極偏置為負時，能帶的彎曲會促進ITO/SA界面中空穴的積累，從而減弱空穴捕獲。

對于正柵偏壓，由于能帶彎曲，來自這些空穴陷阱的光柵效應可以增強。在光柵效應的調控下器件展現出了很好的光感知行為。基于器件的光電協同效應，研究人員初步實現了“可視”痛覺的生物仿生功能。

此外，研究人員還利用人工視網膜光電器件（基于3×3共面多柵網絡（Gn， n=1~9））構筑了具有光痛覺感知能力的分級光學痛覺報警（OPA）傳感系統。隨著柵極到溝道距離的增加，該器件的痛覺感知能力相應減弱。

這是由于隨著柵極到溝道距離的增加，離子耦合路徑變弱，固體電解質的電容變小和電阻變大。該功能將極大改善這種視覺系統的不均勻損傷，有效增強視覺對光痛覺感知的響應，為智能視覺系統的發展帶來廣闊的前景。

有意思的是，該器件可實現不同時空和不同顏色模式下的痛覺光敏化。在受到初次傷害刺激后，疼痛感知能力將會變得更加敏感，以保護機體免受二性傷害。同時還可以通過改變共面柵網絡的空間位置信息，有效地調制異步光電耦合和多波長混合的耦合動力學過程，實現靈活調節光電/顏色痛苦靈敏度。

這種基于可穿戴柔性光電器件的人工電子皮膚，不僅可以有效地保護皮膚免受外界有害環境的傷害，還可以根據不同的目的去提升光電混合系統的感知靈敏度。這種人工“可視”痛覺感知器件有望在數據安全、視覺醫療、環境報警等智能可穿戴電子設備中具有很好的應用前景。

該論文的第一作者為馮光迪，通訊作者為中南大學的蔣杰副教授與華東師范大學田博博研究員、南京大學的萬青教授。該工作得到了湖南省自然科學基金項目; 國家自然科學基金項目；浙江省實驗室開放科研項目以及上海市科技創新行動計劃項目等大力支持。

編輯：jq