一种基于突触晶体管的机器人应激防护系统的制作方法

1.本发明涉及微纳制造技术领域，具体指一种基于突触晶体管的机器人应激防护系统。


背景技术：

2.动物拥有复杂的感受和运动系统。在面临突发多变的环境时，它们的许多应激反应，比如膝跳反射、眨眼反射、缩手反射，能极大的提升适应环境和生存的能力。通过模仿生物的行为和机制，类人机器人可以获得更强的敏感感知能力和损伤预防能力。这将提高它们在恶劣工作条件下的适应能力。
3.反射动作是一种自我保护机制，使动物能够快速对刺激做出反应并避免危险。动物体内的传入神经、神经元和脊髓等构成了复杂的神经网络。神经网络分为低级和高级。低级的神经网络从感受器受到外界刺激开始。感受器感受外界刺激并产生电位的变化。传入神经负责信号的传输，将电位的变化转变成对应频率的脉冲信号并输送到神经元。神经元负责信号的接受和处理。神经元会接受多个传入神经的信号，并对脉冲信号进行初步的处理。神经元接受脉冲信号，当电位累计到一定阈值时，产生兴奋性突触后电流并立即做出反应动作。这个过程不需要大脑的直接参与。但高级的神经网络可以促进或抑制低级神经网络对刺激的反应程度，比如大脑可以有意识的抑制人缩手的反应。
4.本发明旨在仿生动物神经反射机制，赋予类人机器人更强的敏感感知能力和损伤预防能力。人工神经回路要求感受器获取外界信号，将信号转换为脉冲形式并传输给突触晶体管。如果刺激达到一定的阈值，突触晶体管将在与cpu沟通之前直接激活效应器。植入反射动作的人工机器人系统可以在不需要cpu干预的情况下自发地做出反应，从而在多任务处理中获得类似人类的应激保护能力。
5.近年来，人们对神经形态器件进行了大量研究，并取得了巨大的发展。突触晶体管可以根据输入脉冲的幅度、频率和持续时间产生兴奋性突触后电流，也可以整合多模信号。比如，2018年发表在《science》第360卷，第998-1003页的论文a bioinspired flexible organic artificial afferent nerve，人工传入神经从压力传感器阵列中收集压力信息，利用环形振荡器将压力信息转换为脉冲信号，并将多个环形振荡器的信号与突触晶体管集成。突触晶体管产生的兴奋性突触后电流驱动了运动神经。此外，通过改进突触晶体管沟道和栅极材料，可以使其同时对光电信号进行响应。
6.上述突触晶体管根据多模信号可以产生兴奋性突触后电流，但缺乏大脑的调控和参与。生物大脑可以对下级的神经回路有一定的调控作用，可以促进或抑制兴奋性突触后电流。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种基于突触晶体管的机器人应激防护系统，将突触晶体管与类人机器人结合起来，机器人将更好的感知外界条件，并且在不需要cpu干预的情况下对危险情
况做出自发反应，从而获得应激保护的能力。
8.本发明采用的技术方案如下：
9.一种基于突触晶体管的机器人应激防护系统，所述应激防护系统包括电阻式温度传感器、惠斯通电桥、电压转频率电路、突触晶体管、电压比较电路和机器人，所述机器人包括cpu、微处理器和舵机组；
10.所述突触晶体管仿生神经元，具有源极、漏极、主栅极和侧栅极端口，能够根据侧栅极输入脉冲的幅度、频率和持续时间产生兴奋性突触后电流；所述突触晶体管受到主栅极的调控，能够促进或者抑制突触后电流大小；所述电阻式温度传感器作为一个桥臂连接在惠斯通电桥中；惠斯通电桥输出连接电压转频率电路；电压转频率电路输出连接突触晶体管的侧栅极；漏极输出电流串联电阻接地产生电压；漏极连接电压比较电路；电压比较电路输出和cpu都连接微处理器；微处理器连接舵机组；
11.所述电阻式温度传感器和惠斯通电桥仿生动物的感受器，将温度对应转换为电压信号；所述电压转频率电路仿生传入神经，包括同相放大电路、积分运算电路、滞回比较器电路、过零比较电路；电压转频率电路将电压信号转换为对应频率的电脉冲；所述电压比较电路检测漏极的电压大小；当电压未超过阈值时，微处理器传输cpu的信号控制舵机组工作；当电压超过阈值时，微处理器暂时断开cpu信号并控制舵机组应激缩手。
12.进一步的，所述电阻式温度传感器的制备方法包含如下步骤：
13.(1)取pedot:pss导电聚合物分散体(1.3wt％，贺利氏cleviostm)和cnt粉末，按质量比3:1的比例混合。将所得聚合物液体倒入烧瓶中，加入磁力搅拌磁籽，磁力搅拌3小时。搅拌结束后，100hz超声处理，形成pedot:pss导电聚合物和cnt的悬浮液。
14.(2)通过移液枪，每次吸取聚合物悬浮液，滴涂在丝网印刷好的电路阵列上；聚合物悬浮液的滴涂量越多温度传感器的电阻值越小。
15.(3)恒温台加热至120℃，将步骤(2)所得滴涂了聚合物悬浮液的电路阵列放置于恒温台上，使悬浮液液滴受热烘干；待聚合物悬浮液烘干成固体薄膜后，放入烘箱120℃进一步干燥2小时，得到电阻式温度传感器。
16.进一步的，所述电阻式温度传感器的电阻值随温度上升而下降。
17.进一步的，所述电压转频率电路包括同相放大电路、积分运算电路、滞回比较器电路、过零比较电路；其中同相放大电路输入端连接惠斯通电桥，是信号的总输入端口；同相放大电路输出端连接积分运算电路输入端；积分运算电路的输出端连接滞回比较器输入端；滞回比较器输出端既通过二极管和电阻串联连接积分运算电路，也直接连接到过零比较器电路输入端；过零比较器输出端口为电压转频率电路的总输出端口；
18.所述同相放大电路能够调控惠斯通电桥输出电压的放大倍数；
19.所述积分电路与滞回比较器相互连接，将恒定电压转变成正负电压周期变换的脉冲信号；
20.所述过零比较器电路将正电压转变成零伏，负电压转变成高电压，形成周期变化的脉冲信号。
21.进一步的，所述突触晶体管的制备方法包含以下步骤：
22.(1)通过磁控溅射方式，在透明玻璃基底上沉积氧化铟镓锌沟道；磁控溅射参数设置为100w功率，腔体工作压力为0.5pa，并通入ar气体；
23.(2)在0.8pa工作压力下，在ar气氛下，在玻璃基底氧化铟镓锌沟道附近通过掩膜版溅射铟锡氧化物电极；
24.(3)配置离子液做栅极；取1-乙基-3-甲基咪唑二(氟甲基磺酰)酰亚胺离子液体、聚乙二醇二丙烯酸酯单体和2-羟基-2-甲基苯丙酮光交联剂，按11:6:3的质量比例混合；磁力搅拌，得到离子液；
25.(4)移液枪吸取步骤(3)配置好的离子液1μl，均匀滴加在步骤步骤(1)制作的氧化铟镓锌沟道上；再放入uvled固化光源中曝光；光交联剂在紫外光下反应固化，形成离子液栅极，至此制得到突触晶体管。
26.有益效果：
27.本发明将突触晶体管与传统机器人结合起来。温度传感器、电压转频率电路、突触晶体管组成反射回路，使得机器人在不占用cpu资源的情况下可以自发地触发缩手反应，避免高温损毁。具有简化cpu计算，确保机器人安全的优点。通过模仿生物的行为和机制，类人机器人可以获得更强的敏感感知能力和损伤预防能力。这将提高它们在恶劣工作条件下的适应能力。
附图说明
28.图1为本发明的结构示意图；
29.图2为本发明的惠斯通电桥和放大电路；
30.图3为本发明的电压转频率电路；
31.图4为本发明积分运算电路、滞回比较器和过零比较电路输出曲线；
32.图5为本发明电阻式温度传感器；
33.图6为本发明电阻式温度传感器温度与电阻变化曲线；
34.图7为本发明电压转频率电路，电压与频率曲线；
35.图8为本发明电压转频率电路，频率随温度变化曲线；
36.图9为本发明突触晶体管；
37.图10为本发明突触晶体管对脉冲响应曲线。
38.图11为本发明突触晶体管分别在在4.5v，30ms间隔脉冲和4.5v，240ms间隔脉冲下的特性曲线。
具体实施方式
39.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
40.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合发明人实际研究成果进行对比说明，以下所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制。
41.如图1、图2所示，所述应激防护系统包括电阻式温度传感器、惠斯通电桥、电压转频率电路、突触晶体管、电压比较电路和机器人，所述机器人包括cpu、微处理器和舵机组。
42.所述突触晶体管仿生神经元，具有源极、漏极、主栅极和侧栅极端口，能够根据侧栅极输入脉冲的幅度、频率和持续时间产生兴奋性突触后电流；所述突触晶体管受到主栅极的调控，能够促进或者抑制突触后电流大小；所述电阻式温度传感器作为一个桥臂连接在惠斯通电桥中；惠斯通电桥输出连接电压转频率电路；电压转频率电路输出连接突触晶
体管的侧栅极；漏极输出电流串联电阻接地产生电压；漏极连接电压比较电路；电压比较电路输出和cpu都连接微处理器；微处理器连接舵机组；
43.所述电阻式温度传感器和惠斯通电桥仿生动物的感受器，将温度对应转换为电压信号；所述电压转频率电路仿生传入神经，包括同相放大电路、积分运算电路、滞回比较器电路、过零比较电路；电压转频率电路将电压信号转换为对应频率的电脉冲；所述电压比较电路检测漏极的电压大小；当电压未超过阈值时，微处理器传输cpu的信号控制舵机组工作；当电压超过阈值时，微处理器暂时断开cpu信号并控制舵机组应激缩手。
44.植入反射动作的机器人可以在不需要cpu干预的情况下自发地做出反应，从而在多任务处理中获得类似动物的应激保护能力。cpu不能直接控制缩手反射，但可以在一定程度上抑制或促进突触兴奋性突触后电流。基于突触晶体管的机器人应激防护系统可以赋予类人机器人更强的敏感感知能力和损伤预防能力。这将提高它们在恶劣工作条件下的适应能力。同时触发反射不需要cpu参与，做到了独立触发缩手反射，不需要占用cpu计算资源。
45.所述电阻式温度传感器如图5所示，制备方法包含如下步骤：
46.(1)取pedot:pss导电聚合物分散体(1.3wt％，贺利氏cleviostm)和cnt粉末，按质量比3:1的比例混合。将所得聚合物液体倒入烧瓶中，加入磁力搅拌磁籽，磁力搅拌。搅拌结束后，100hz超声处理，形成pedot:pss导电聚合物和cnt悬浮液。
47.(2)通过移液枪，每次吸取聚合物悬浮液，滴涂在丝网印刷好的电路阵列上。聚合物悬浮液的滴涂量越多温度传感器的电阻值越小。
48.(3)恒温台加热至120℃，将步骤(2)所得滴涂了聚合物悬浮液的电路阵列放置于恒温台上，使悬浮液液滴受热烘干。待聚合物悬浮液烘干成固体薄膜后，放入烘箱120℃进一步干燥2小时，得到电阻式温度传感器。所制电阻式温度传感器，电阻值随温度上升而下降。
49.所述电阻式温度传感器、惠斯通电桥和电压转频率电路如图2，3所示：
50.(1)电阻式温度传感器是信号的总输入端口。电阻r1、r2、r3和电阻式温度传感器构成惠斯通电桥。电阻式温度传感器的电阻值随温度的上升而下降，因而在惠斯通电桥桥臂上分压减少。电桥输出电压随温度上升而上升。惠斯通电桥输出连接同向放大
51.(2)电阻r4、r5和运放u1构成同相放大电路。同相放大电路的放大比例由r4和r5比例决定，放大倍数为(1 r4/r5)。同相放大电路输出为(1 r4/r5)v
in
，其中v
in
是惠斯通电桥输入的电压。同相放大电路输出连接积分运算电路。
52.(3)如图3所示，电阻r6、r7，电容c1和运放u2构成积分电路；电阻r9、r11、r12和运放u3构成滞回比较器。积分电路输出连接滞回比较器，滞回比较器输出通过电阻r8和二极管连接积分电路输入。两者将恒定电压转变成正负电压周期变换的脉冲信号，积分电路输出电压vo和电容c1上电压vc关系：
[0053]vo
＝-vc；
[0054]
而电容上的电压vc等于其电流的积分，有:
[0055][0056]
其中v
in
是输入积分电路的电压。
[0057]
当积分电路输出电压低于滞回比较器下阈值，滞回比较器输出负电压，电容c1的
电荷经二极管和电阻r8释放。此时，积分电路输出开始上升，当积分电路输出电压高于滞回比较器上阈值，滞回比较器输出正电压。重新回到电容c1充电过程。如图4所示。
[0058]
(4)如图4所示，电阻r12和运放u4构成过零比较器。过零比较器电路将正电压转变成零伏，负电压转变成高电压，形成周期变化的脉冲信号。
[0059]
如图6所示，电阻式温度传感器温度与电阻变化曲线。可见温度传感器的阻值随温度上升而下降。
[0060]
如图7所示，电压转频率电路，电压与频率曲线。可见随着输入电压增加，每个脉冲间隔时间成反比例减小。
[0061]
电阻式温度传感器作为一个桥臂连接在惠斯通电桥中。当温度上升，温度传感器电阻值减小，使得惠斯通电桥的输出电压上升。惠斯通电桥输出连接电压转频率电路，将温度与输出脉冲频率联系起来。如图8所示，可见随着温度上升，输出脉冲的间隔逐渐减小。
[0062]
如图9所示，所述突触晶体管的制备方法，包含以下步骤：
[0063]
(1)通过磁控溅射方式，在透明玻璃基底上沉积氧化铟镓锌(igzo)沟道。磁控溅射参数设置为100w功率，腔体工作压力为0.5pa，并通入ar气体。
[0064]
(2)完成步骤1后，再次在0.8pa工作压力下，在ar气氛下，在玻璃基底氧化铟镓锌沟道附近通过掩膜版直流溅射铟锡氧化物(ito)电极。
[0065]
(3)配置离子液做栅极。取1-乙基-3-甲基咪唑二(氟甲基磺酰)酰亚胺([emim][tfsi])离子液体、聚乙二醇二丙烯酸酯(pegda)单体和2-羟基-2-甲基苯丙酮(hompp)光交联剂，按11:6:3的质量比例混合。磁力搅拌。
[0066]
(4)移液枪吸取步骤(3)配置好的溶液1μl，均匀滴加在步骤(1)制作的igzo沟道上。将器件放入uvled固化光源中曝光。光交联剂在紫外光下反应固化，形成离子液栅极。至此制得到突触晶体管。
[0067]
如图10所示，突触晶体管在电脉冲的刺激下，源漏极间的产生兴奋性突触后电流。在每两个电脉冲间隔期间，晶体管的兴奋性突触后电流会缓慢逐渐减小。当脉冲时间间隔较长时，兴奋性突触后电流的累加效应不明显。但当脉冲时间间隔较短时，兴奋性突触后电流会逐渐累加。突触晶体管漏极串联电阻接地。兴奋性突触后电流增大会使漏极电压上升。当电压超过电压比较电路阈值，变回触发应激缩手反射。
[0068]
如图11所示，脉冲间隔时间对兴奋性突触后电流的影响。相同的脉冲电压下，当脉冲时间间隔为30ms时，10个脉冲刺激下，电流可达到250na；当脉冲时间间隔为240ms时，10个脉冲刺激下，电流只达到175na。说明突触晶体管对脉冲时间间隔敏感。