一种基于液态金属的类脑拟神经器件制造技术

一种基于液态金属的类脑拟神经器件，包括神经器件结构，神经器件结构的外壳内有液态金属和电解质，贴附神经器件结构的外壳内底面设置有导电面域和用于隔断导电面域的绝缘面域，液态金属浸在电解质中，电解质为液态金属提供溶液环境和溶液离子，在外界的刺激电压/电流低于阈值时，充当导电介质，传导离子电流，液态金属在阈值电压/电流下实现位移，并连接导通被绝缘面域隔断的导电面域，使其改变包括阻抗和容抗在内的神经器件的电学性质；本发明专利技术利用液态金属在室温下的液态性、柔性以及电学特性，使得液态金属电路在发生一定移动，导联导电面域使拟神经器件电学性质相应改变，进而实现基于液态金属的拟神经功能，可有效模拟神经突触的多种功能。

A brain like neural device based on liquid metal

A brain-like neuronic device based on liquid metal includes a neural device structure in which liquid metal and electrolyte are contained in the outer shell. The inner bottom of the outer shell attached to the neural device structure is provided with a conductive surface area and an insulating surface area for separating the conductive surface area. The liquid metal is immersed in the electrolyte and the electrolyte is liquid. The metal provides the solution environment and the solution ion, acts as the conductive medium when the external stimulation voltage/current is lower than the threshold value, conducts the ion current, and the liquid metal realizes the displacement under the threshold voltage/current, and connects the conductive area separated by the insulating area to change the electrical properties of the nerve devices including impedance and capacitance. The invention utilizes the liquid nature, flexibility and electrical characteristics of the liquid metal at room temperature to make the liquid metal circuit move to a certain extent, and leads the conductive area to change the electrical properties of the quasi-nerve devices accordingly, thereby realizing the quasi-nerve function based on the liquid metal and effectively simulating the multiple functions of the nerve synapse.

【技术实现步骤摘要】
一种基于液态金属的类脑拟神经器件
本专利技术属于仿生
，特别涉及一种基于液态金属的类脑拟神经器件。
技术介绍
人类最终主宰了地球，依靠的不是庞大的身躯、强大的四肢、锋利的爪牙，而是发达的大脑。人类的大脑是物质发展进化的顶级产物，人脑的生物神经系统具有大容量、低能耗、并行处理、自我学习等特点。人脑大约含有一千亿个神经元，神经元是构成大脑的基本单位，1千亿个神经元相互连接组成复杂的脑网络，人的大脑中大约有100万亿个突触，大脑活动的本质就是脑网络中的神经突触产生并介导脑电信号，使大脑高速运行感觉、运动、认知等脑功能，其物质基础就是信息在复杂的脑突触网络中有序的传递与处理；没有任何一个自然或人工系统能像人脑一样具有对新环境挑战的自适应能力、新信息的自动获取能力、新技能的自动学习与应用能力以及在复杂环境下高效稳定运行达数十年之久。正是介于大脑生物神经系统优异的能力，人脑研究计划已成为各国的重大科技专项；认识大脑、解析大脑、理解大脑的运行机制是各国实施脑计划的首要目的。同时，人们希望借鉴大脑中进行信息处理的基本规律，在硬件与软件算法等多个层面上对现有的计算机体系与系统做出本质的变革，突破传统计算机上的摩尔限制，实现在计算能力、计算效力与能耗上的大幅提高。目前研究的方向在于寻找或创造合适的器件模拟单个神经元，设计非冯氏体系架构的新型处理器等。
技术实现思路
基于对液态金属的研究与潜在应用，本专利技术的目的是提供一种基于液态金属模拟神经元突触功能的类脑拟神经器件。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于液态金属的类脑拟神经器件，包括神经器件结构2，神经器件结构2的外壳内有液态金属3和电解质1，贴附神经器件结构2的外壳内底面设置有导电面域4和用于隔断导电面域4的绝缘面域5，液态金属3浸在电解质1中，电解质1为液态金属3提供溶液环境和溶液离子，在外界的刺激电压/电流低于阈值时，充当导电介质，传导离子电流，液态金属3在阈值电压/电流下实现位移，并连接导通被绝缘面域5隔断的导电面域4，从而改变包括阻抗和容抗在内的神经器件的电学性质。本专利技术所述阈值电压/电流指不同形态构型的类脑拟神经器件在外界施加的刺激电压/电流下完全运动到导电面域4所需的最小值，不同形态构型的阈值电压/电流不同，其中阈值电压/电流的施加，使得拟神经器件产生电压的范围为0.01v～250v。液态金属拟神经器件中的液态金属可以在电压/电流控制下实现运动，当直流稳压源施加电压时，只要形成环路就会有电流产生；同样，若直接用电流源施加电流刺激，则所在的拟神经器件也会具有相应的电压值；即，电压/电流刺激本质是一样。电解质1为液态金属3提供溶液环境和溶液离子，在外界的刺激电压/电流低于阈值电压/电流时，充当导电介质，传导离子电流。虽然，低于阈值电压/电流时，电解质1也可以导电，通过溶液中的离子定向移动而产生的离子电流，但导电效率底，导电能力的大小由溶液的离子浓度决定；其次，离子导电不同于电子导电，本专利技术中，被设计隔断的导电面域4可以简化理解为两端导线的延申，即电解质1中的两个电极，在电极中传导的是电子电流，而在溶液中是离子电流，导线中的电子是无法通过溶液传导过去的，从外界看，当外界施加刺激低于阈值时，整个器件是导通的，但导电面域4是断开的；只有当达到施加刺激达到阈值时，由于液态金属移动至绝缘面域5，导连了被阻断的导电面域4，可以简化理解为使拟神经器件的传导方式转变为导线直接传到连接过去，直接通过导电面域4传导电子电流，因而使整个拟神经器件的各项电学性质都发生改变。又或者可以如下简化理解：把电解质溶液看作为一个等效电阻元件，低于阈值时，电流导通要通过电阻，当大于施加刺激大于阈值时，液态金属导联导电面域4，相当于与等效电阻并联，使整个器件的电学性质发生变化。所述神经器件结构2不同的内部构型对应于同电压/电流的刺激阈值，其外壳为绝缘材料制造，如：PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PLA聚乳酸、TPU(热塑性聚氨酯弹性体橡胶)等。所述不同构型指内部形态、导电面域4与绝缘面域5的形态分布，如梯形型、三角形型、凹凸峰型、内凹型、外凸型、锥型等。所述导电面域4与电解质1、液态金属3直接接触，当外界刺激电压/电流低于阈值时，导电面域4不直接导通。这里的不直接导通就是不直接连接导通的意思，由于达到阈值电压时，液态金属会移动至绝缘面域使导电面域直接连接导通，正是相对于直接导通，此处定义为不直接导通。所述电解质1为强酸、强碱或可溶性盐类的强电解质水溶液的一种，如：盐酸、硫酸、硝酸、氢氧化钠、氢氧化钾、氯化钠、氯化钾等；或者为弱酸、弱碱的弱电解质的水溶液的一种，如：碳酸、氨水等；溶液的浓度为0.1～5mol/L，用量为注满空腔。在液态金属拟神经器件中，由于设计的器件的大小不同，以及器件内部空腔大小的不同，使得液态金属3的用量不是一个固定值，而是根据设计的具体内部形态来选择液态金属的用量，一般来说，拟神经器件的空腔容积大小不会超过50ml，液态金属3的一般用量在1g-50g之间。本专利技术液态金属是金属合金，是镓基型合金，该合金熔点底，室温下呈液态；以镓铟锡合金为例说明，镓铟锡合金熔点为11摄氏度，在室温下为液态。文中描述的镓基的二元、三元、四元合金在室温下皆呈液态，所以统称为液态金属，因此不存在质量浓度的问题；但存在配比的问题，即各种合金中各元素质量所占的比例问题，这里由于配比不同、配比合金的元数不同会使配比出的合金的熔点不同，一般以镓合金为主导，参杂不同质量的其它金属构成多元合金，本专利技术中仅要求配出的合金在室温下呈液态即可，即所称的液态金属。所述液态金属3为金属单质镓、或者铟、锌、铋、锡等金属与镓形成的二元、三元、四元合金中的一种或多种，如：二元合金：镓铟、镓锌、镓锡等；三元合金：镓铟锌、镓铟锡、镓铟铋等；四元合金：镓铟锡锌、镓铟锡铋。所述导电面域4的材料为导电金属元素、合金或特殊功能导电材料，可为导电金属元素、合金、特殊功能导电材料等；如：铜、铁、镍、金、银、导电塑料、导电橡胶、石墨、碳纤维等。所述绝缘面域5可为无机、有机、混合绝缘材料中一种或多种铺成，如云母、瓷器、树脂、橡胶、绝缘漆等。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、该基于液态金属类脑拟神经器件，利用液态金属在室温下的液态性、柔性以及电学特性，使得液态金属电路在发生一定移动，导联导电面域使拟神经器件电学性质相应改变，进而实现基于液态金属的拟神经功能；2、该液态金属类脑拟神经器件制作简单，可有效模拟神经的突触的多种功能，提供一种新型的基于液态金属的拟神经器件。附图说明图1为本专利技术实施例1一种基于液态金属的梯形形态的类脑拟神经器件的结构示意图。图2为本专利技术实施例2一种基于液态金属的三角形形态的类脑拟神经器件结构示意图。图3为本专利技术实施例3一种基于液态金属的复杂形态的类脑拟神经器件结构示意图。图4为本专利技术实施例4一种基于液态金属的两个不同形态的；类脑拟神经器件相连接的示意图。图5为本专利技术实施例5一种基于液态金属的多个不同形态的类脑拟神经器件相连接的示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案更加清楚，下面将结合本专利技术实施例对本专利技术的技术方案进一步实描述。显然，所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例，不用于限制本专利技术的范围本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于液态金属的类脑拟神经器件，其特征在于，包括神经器件结构(2)，神经器件结构(2)的外壳内有液态金属(3)和电解质(1)，贴附神经器件结构(2)的外壳内底面设置有导电面域(4)和用于隔断导电面域(4)的绝缘面域(5)，液态金属(3)浸在电解质(1)中，电解质(1)为液态金属(3)提供溶液环境和溶液离子，在外界的刺激电压/电流低于阈值时，充当导电介质，传导离子电流，液态金属(3)在阈值电压/电流下实现位移，并连接导通被绝缘面域(5)隔断的导电面域(4)，从而改变包括阻抗和容抗在内的神经器件的电学性质。

【技术特征摘要】
1.一种基于液态金属的类脑拟神经器件，其特征在于，包括神经器件结构(2)，神经器件结构(2)的外壳内有液态金属(3)和电解质(1)，贴附神经器件结构(2)的外壳内底面设置有导电面域(4)和用于隔断导电面域(4)的绝缘面域(5)，液态金属(3)浸在电解质(1)中，电解质(1)为液态金属(3)提供溶液环境和溶液离子，在外界的刺激电压/电流低于阈值时，充当导电介质，传导离子电流，液态金属(3)在阈值电压/电流下实现位移，并连接导通被绝缘面域(5)隔断的导电面域(4)，从而改变包括阻抗和容抗在内的神经器件的电学性质。2.根据权利要求1所述基于液态金属的类脑拟神经器件，其特征在于，所述阈值电压/电流指不同形态构型的类脑拟神经器件在外界施加的刺激电压/电流下完全运动到导电面域(4)所需的最小值，不同形态构型的阈值电压/电流不同，其中阈值电压/电流的施加，使得拟神经器件产生电压的范围为0.01v～250v。3.根据权利要求1所述基于液态金属的类脑拟神经器件，其特征在于，电解质(1)为液态金属(3)提供溶液环境和溶液离子，在外界的刺激电压/电流低于阈值电压/电流时，充当导电介质，传导离子电流。4.根据权利要求1所述基于液态金属的类脑拟神经器件，其特征在于，所述神经器件结构(2)不同的内部构型对应于同电压/电流的刺激阈值，其外壳为绝缘材料。5.根据权利要求4所述基于液态金属的类脑拟神经器件，其特征在于，所述不同构型指内部形态、导电面域(4)与绝缘面域(5)的形态...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈国镇，赵正男，刘静，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11