Iontronic Synaptic Tactile Transistors Based on Mechano-gated Ion Pump

Abstract

The tactile perception/kinesthetic system of human skin is based on a stepwise signal process of mechanotransduction and neuronal plasticity changes at mechanoreceptor and synapse, respectively. Recently, the development of tactile interface for a neuromorphic system such as artificial sensory nervous system has attracted great attention as a promising next-generation e-skin application. However, previous researches have suffered from the undesirable characteristics of sensing and memory devices, which leads to low mechanical sensitivity and restricted plasticity. Herein, we report on a monolithic synaptic tactile transistor (STT) based on hydrogen bond triggered ion pump, which is capable of generating the reversible H-bond breakage of ion pairs under the mechanical stimulus. This mechano-responsive ion dynamics (ion trap and release) allowed us to demonstrate the STT for highly sensitive perception capability under the external stimulus. In addition, the electrochemical reaction between the released ions and polymer semiconductor enables both short- and long-term plasticity (LTP > 200 sec) with respect to the applied amplitude of pressure. We realized an artificial somatosensory system that can detect and differentiate tactile stimuli including static and dynamic pressures as well as textures. We believe that our STT can provide learning and memory characteristics for a variety of tactile stimuli and opens new avenues for neuroprosthetics and soft robotics.; 전자피부는 인간 피부의 기능을 모방하여 실제 피부와 유사한 인터페이스를 제공할 수 있는 차세대 기술로써 많은 주목을 받고 있다. 그러나 기존의 전자피부는 자극을 감지하는 피부의 센서 측면에 집중되어 있으며, 촉각과 뇌의 인지기능을 모방한 전자피부는 소재와 회로적 접근에 한계를 보여 다양한 응용 어플리케이션을 구현하기에 어려움이 있다. 이를 보완하기 위해 촉각 정보에 대한 ‘감지-기억’ 기능이 일체화된 뉴로모픽 전자피부를 구현하였다. 본 연구에서는 단일 소자 내에서 전기장이 아닌 압력에 의해 이온의 농도가 조절 가능한 전해질을 통해 압력을 효과적으로 인지하고 해리된 이온이 유기 반도체와 상호작용하는 시냅틱 촉각 트랜지스터를 제작하였다. 수소결합 유도형 입자를 도입하여 양이온과 음이온을 수소결합을 통해 구속하고 가역적으로 이온의 탈부착이 가능한 소재와 압력 자극으로 해리된 자유이온이 전기장 조건에 의한 반도체 내부의 이온 동역학 거동 메커니즘 규명을 위해 전기화학/광학적 특성을 통해 이온의 침투를 증명하였다. 전기적 펄스 하에서도 압력의 세기에 따라 자극에 대한 구별로 단기 기억, 장기 기억(Decay time > 200sec)에 대한 특성을 확보하였다. 뿐만 아니라, 전해질의 구속 및 탈착 효과로 역치 이상의 자극만 선택적으로 인지 가능하여 압력의 세기, 지속시간, 빈도수에 따른 신호분류 특성 및 시냅스 가소성 특성을 확보할 수 있었다. 이를 통해 고차원적 해석이 필요한 인공신경보철, 촉각증강형 수술형 로봇, 로봇피부로의 어플리케이션으로 적용될 수 있을 것이라 기대한다.