一种3D打印机、人工神经元及其制备方法技术

本发明专利技术属于人工神经元制备相关技术领域，其公开了一种3D打印机、人工神经元及其制备方法，人工神经元包括触觉感受器、传输单元、人工突触，其中：触觉感受器由下至上依次包括第一电极层、传感层以及第二电极层，传感层设于所述第一电极层和第二电极层之间，其中传感层包括锥形传感层以及管形传感层；人工突触由内至外依次包括电解质层、半导体层以及封装层，设有源极、漏极、栅极，所述源极与漏极与半导体层连接，栅极与电解质层连接；第一电极层或第二电极层通过传输单元连接至人工突触。本申请可以得到多维度力学传感的人工神经元，灵敏度更高、应用范围更广。应用范围更广。应用范围更广。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印机、人工神经元及其制备方法


[0001]本专利技术属于人工神经元制备相关
，更具体地，涉及一种3D打印机、人工神经元及其制备方法。

技术介绍

[0002]生物触觉神经元具有接受刺激、传递信息和感知学习的功能。触觉是由皮肤内的触觉神经元上的感受器接收信号，并将信号沿轴突传递至神经突触，由突触后神经元进一步整合同步或异步刺激信号，获得多层次的触觉感知。基于生物触觉神经元机理所构建的人工神经元由触觉感受器、传输单元和人工突触等部分组成，触觉感受器是利用各类电子器件在外界刺激下电阻、电容或电感的变化将外界刺激转化为可量化的电学信号的一类器件。传输单元时利用电子电导或离子电导将量化后的电学信号传递给人工突触的一类器件。人工突触将生物体无法识别的数字信号转化成生物神经信号，构建仿生感知系统和智能人机交互界面的基础器件，实现如短时程塑性、长时程塑性、依赖尖峰时序塑性等的生物突触基本性质。这种基于电子器件硬件实现的人工神经元是构建人工神经元网络的基础，对发展人机交互、机器人感知和控制系统具有重要意义。
[0003]当前基于传感器原理的触觉感受器性能已经达到甚至超过人体的感知极限，虽然其传感灵敏度已可满足现有人工神经元应用需求，但是其存在结构单一、力学性能固定和无法贴合复杂曲面的问题。当前人工突触主要是通过两端结构的忆阻器器件或多端结构的晶体管器件实现。三端/多端突触晶体管具有稳定性好、测试参数相对可控、运行机制清晰、可由多重材料构成等优点。此外，现有人工神经元感受器、传输单元和人工突触各部分均采用独立制造、分体组装的方法加工，这也伴随着装配复杂、集成度差的问题。
[0004]中国专利CN112850635A公开了一种人工传入神经、仿生感知系统和人工传入神经的制备方法，其中器件的制备方法仍然是半导体器件的常规制造方法，是将基体、传感器、信号处理及信号存储器件进行机械组合，实现神经感知信号和生物体信号的互联。但所公开的制备方法仍存在本领域技术人员可知的只能制造呈规整周期排布的二维或三维结构，同时受脱模、翻模工艺限制，很多结构无法制备，同时当涉及液态电解质材料时，存在难以封装，受外界环境干扰严重的问题，对神经元的灵敏度和制造难度提出了很大的挑战。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种3D打印机、人工神经元及其制备方法，可以得到多维度力学传感的人工神经元，灵敏度更高、应用范围更广。
[0006]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种人工神经元，所述人工神经元包括触觉感受器、传输单元、人工突触，其中：所述触觉感受器由下至上依次包括第一电极层、传感层以及第二电极层，所述传感层设于所述第一电极层和第二电极层之间，其中所述传感层包括由多个锥形结构组成的锥形传感层以及由多个管状结构组成的管形传感层，所述锥形结构的至少一端设有至少一层所述管状结构；所述人工突触为柱状结构，由内至
外依次包括电解质层、半导体层以及封装层，所述柱状结构的一端设源极，另一端设有漏极，中间设有栅极，所述源极与漏极与所述半导体层连接，所述栅极与所述电解质层连接；所述第一电极层通过所述传输单元连接至所述栅极，所述第二电极层与外部电源正极连接，或者所述第二电极层通过所述传输单元连接至所述栅极，所述第一电极层与外部电源正极连接；所述源极与所述电源的负极连接。
[0007]优选地，所述锥形结构包括正锥形结构和倒锥形结构，所述正锥形结构和倒锥形结构交错排布。
[0008]优选地，所述管形结构和锥形结构为轴心中空结构。
[0009]优选地，所述传感层为碳纳米管掺杂的PDMS复合材料；所述第一电极层和第二电极层的材料为导电银浆、导电碳浆、碳纳米管或银纳米管状的一种。
[0010]优选地，所述传输单元以及电解质层的材料为离子导电型材料。
[0011]优选地，所述半导体层的材料为原位聚合的聚苯胺材料或聚3，4
‑
乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐；所述封装层的材料为PDMS。
[0012]优选地，所述触觉感受器的最下部还设有衬底，所述衬底的材料为PDMS。
[0013]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种打印上述人工神经元的3D打印机，所述3D打印机包括普通喷头和同轴喷头，所述同轴喷头包括两个同轴布置的喷头管组合而成，两喷头管分别对应一料筒，其中内部喷头还可连接预设压力气体。
[0014]按照本专利技术的再一个方面，提供了一种采用上述的3D打印机打印所述人工神经元的制造方法，所述方法包括：制备触觉感受器：采用所述普通喷头打印衬底层、第一导电层，采用所述同轴喷头打印所述传感层，采用所述普通喷头打印第二导电层；制备人工突触：采用所述同轴喷头制备所述管状封装层、漏极和源极；采用聚合涂层法制备半导体层；将电解质材料注入半导体内部中空管；传输单元制备：采用所述同轴喷头制备所述传输单元。
[0015]优选地，在制备所述传感层时，当制备管形传感层时，制备过程中内部喷头管通入预设压力的气体，进而打印出中空的管形结构；当制备锥形结构时，制备过程中内部喷头管通入预设压力的气体，外部喷头管的浆料压力依次增大或减小，进而打印出中空的锥形结构。
[0016]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的3D打印机、人工神经元及其制备方法具有如下有益效果：
[0017]1.本申请的传感层包括锥形传感层和管形传感层，管形传感层感受外界压力信号，通过各级中空管状结构的逐渐压缩变形及管内部的接触，可以构建多阶段传感，通过调节管的厚度和材料内部成分比例可以调节其阻变灵敏度，锥形传感层不仅可以感受外界的压信号，还能感受外界的切应力信号，在外界切应力作用下，锥形结构由分离到接触，进一步相互挤压从而引起电阻的变化，进而感受到外界切应力信号。
[0018]2.锥形传感层包括正锥形结构和倒锥形结构，两种结构形状交错布置，可以使得感受切信号时更加稳定。
[0019]3.采用3D打印制备，可方便高效的制备不同尺寸、排布方式和组合方式的触觉感受器，在制备人工突触时可以简便快捷的将半导体层和电解质层有效封装在中空管内部，大大提升了人工突触的环境耐受性，避免了传统有机电化学晶体管电解质材料受外界环境的影响。
[0020]4.通过本专利技术所提供方法制备的人工神经元，模仿生物神经元架构和工作机制，将触觉感受、信号传递和触觉感知学习等神经元功能耦合，具有触觉感知学习功能人工神经元是构建神经网络的基础器件，同时，本申请所述提供的3D打印神经元的方法，突破了传统柔性电子器件制备工艺对产品结构复杂度、器件集成度和制造周期长的限制，通过3D打印技术可实现各器件尺寸、结构及排布方式的灵活调节。
附图说明
[0021]图1是本申请实施例的人工神经元的一结构示意图；
[0022]图2是本申请实施例的人工神经元的另一结构示意图；
[0023]图3是本申请实施例的人工突触的结构示意图；
[0024]图4A是本申请实施例传感本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种人工神经元，其特征在于，所述人工神经元包括触觉感受器、传输单元、人工突触，其中：所述触觉感受器由下至上依次包括第一电极层、传感层以及第二电极层，所述传感层设于所述第一电极层和第二电极层之间，其中所述传感层包括由多个锥形结构组成的锥形传感层以及由多个管状结构组成的管形传感层，所述锥形结构的至少一端设有至少一层所述管状结构；所述人工突触为柱状结构，由内至外依次包括电解质层、半导体层以及封装层，所述柱状结构的一端设源极，另一端设有漏极，中间设有栅极，所述源极与漏极与所述半导体层连接，所述栅极与所述电解质层连接；所述第一电极层通过所述传输单元连接至所述栅极，所述第二电极层与外部电源正极连接，或者所述第二电极层通过所述传输单元连接至所述栅极，所述第一电极层与外部电源正极连接；所述源极与所述电源的负极连接。2.根据权利要求1所述的人工神经元，其特征在于，所述锥形结构包括正锥形结构和倒锥形结构，所述正锥形结构和倒锥形结构交错排布。3.根据权利要求1所述的人工神经元，其特征在于，所述管形结构和锥形结构为轴心中空结构。4.根据权利要求1所述的人工神经元，其特征在于，所述传感层为碳纳米管掺杂的PDMS复合材料；所述第一电极层和第二电极层的材料为导电银浆、导电碳浆、碳纳米管或银纳米管状的一种。5.根据权利要求1所述的人工神经元，其特征在于，所述传输单元以及电解质层的材料为离子导电型材料...

【专利技术属性】
技术研发人员：文世峰，耿鹏，周燕，史玉升，蒋承剑，陈道兵，汤思晗，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：