近日，智能科技學(xué)院、材料與化學(xué)學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)的首屆碩士生王領(lǐng)，以第一作者身份在《先進(jìn)科學(xué)》（Advanced Science）上發(fā)表題為“基于超級(jí)電容突觸可塑性的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算”（Neuromorphic Computing using Synaptic Plasticity of Supercapacitors）的學(xué)術(shù)論文。研究團(tuán)隊(duì)利用一種常用的儲(chǔ)能器件——超級(jí)電容的充放電儲(chǔ)能特性模擬人腦神經(jīng)突觸，由此開(kāi)發(fā)出儲(chǔ)能型類(lèi)腦計(jì)算系統(tǒng)，在盲文數(shù)字識(shí)別中實(shí)現(xiàn)100%準(zhǔn)確率。這一突破不僅是上海理工大學(xué)在學(xué)科交叉育人方面的生動(dòng)實(shí)踐，更為未來(lái)人工智能硬件的設(shè)計(jì)開(kāi)辟了全新路徑。

在這項(xiàng)研究中，智能科技學(xué)院和材料與化學(xué)學(xué)院攜手，將材化學(xué)院儲(chǔ)能器件研究的“看家本領(lǐng)”——碳化鈦二維材料超級(jí)電容，與智能學(xué)院光學(xué)人工智能研究的“看家本領(lǐng)”——光學(xué)類(lèi)腦計(jì)算相結(jié)合，打造出能自主調(diào)節(jié)充放電行為的儲(chǔ)能型突觸。利用突觸的可控充放電響應(yīng)，展現(xiàn)了超級(jí)電容的類(lèi)腦計(jì)算潛力，完成了從0到9的盲文數(shù)字識(shí)別，且準(zhǔn)確率達(dá)到了100%。

類(lèi)腦計(jì)算過(guò)程實(shí)質(zhì)上是類(lèi)腦網(wǎng)絡(luò)中參數(shù)的調(diào)節(jié)優(yōu)化。傳統(tǒng)的類(lèi)腦計(jì)算中參數(shù)無(wú)論是向上還是向下調(diào)節(jié)，都是需要耗費(fèi)能量的過(guò)程。這項(xiàng)研究使用超級(jí)電容充放電中的電壓響應(yīng)作為類(lèi)腦網(wǎng)絡(luò)中參數(shù)，參數(shù)向上調(diào)節(jié)屬于能量在超級(jí)電容中的儲(chǔ)存，向下調(diào)節(jié)則把儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)。這種新型的范式展示了類(lèi)腦計(jì)算中的能量循環(huán)利用的可行性。針對(duì)未來(lái)低能耗類(lèi)腦硬件如盲人交互系統(tǒng)、圖像識(shí)別系統(tǒng)和人工嗅覺(jué)系統(tǒng)，這項(xiàng)研究為它們的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了理論支撐。同時(shí)，鑒于超級(jí)電容是一種產(chǎn)業(yè)成熟度較高的儲(chǔ)能器件，該成果也進(jìn)一步拓寬了超級(jí)電容的應(yīng)用前景，為新一代智能型能源系統(tǒng)的研發(fā)注入了新的活力。

2022年，智能科技學(xué)院光子芯片研究院基于多學(xué)科交叉前沿研究的需要，啟動(dòng)探索了研究生聯(lián)合培養(yǎng)的新模式。近年來(lái)先后在材料科學(xué)、生物工程、物理學(xué)和儀器工程專(zhuān)業(yè)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合培養(yǎng)，王領(lǐng)同學(xué)是智能科技學(xué)院和材料與化學(xué)學(xué)院聯(lián)合培養(yǎng)的第一屆研究生。該文章上海理工大學(xué)為第一單位，陳希教授為通訊作者，作者還包括智能科技學(xué)院和材料與化學(xué)學(xué)院的研究生。

原理圖

論文鏈接:  https://doi.org/10.1002/advs.202500521

供稿：智能科技學(xué)院