近期，合工大科研团队
在多个领域持续发力
取得可喜进展
一起来看
一
基于忆阻器的新型存算一体技术研究领域
在计算机视觉领域，神经网络在图像识别、图像分割和目标检测方面具有先进性能。然而，基于传统冯诺依曼架构的神经网络的分类和检测方法面临存算分离的计算难题。而忆阻器作为一种新型存算一体器件，由于非易失性和纳米尺寸等特性，非常适合实现神经突触。因此基于忆阻器的神经网络引起了广泛关注。
目前基于忆阻器的神经网络研究面临多态模型设计、循环神经网络（RNNs）中的核心模块门控循环单元（GRU）计算复杂等难题，我校微电子学院集成电路设计研究中心解光军教授、张章教授团队与上海交通大学微电子学院刘钢教授团队合作，针对性提出了相应解决方案，研究成果分别发表微电子领域国际著名期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs和Transactions on Electron Devices。
在多态模型设计方面，门控忆阻器比传统的二端忆阻器具有明显的优势。目前由于难以实现大规模集成，开发一种灵活的门控忆阻仿真器对于探索神经网络的各种可能应用至关重要的。然而，现有的门控忆阻器模型缺乏灵活性和可移植性。团队进一步提出了一种门控忆阻器的新型FPGA模型，在Xilinx XQ7Z020芯片上进行了验证，硬件资源利用率低于1%。并提出了一种利用器件电导局部线性特性构建多重累积电路结构的新方法。此外，在MNIST数据集上验证了基于该模型的四态量化单层感知器。实验结果表明，该电路对10000张MNIST图像的识别精度达到87.6%，与PyTorch的结果仅相差0.03%。
该工作于2022年11月以“Gate-Controlled Memristor FPGA Model for Quantified Neural Network”为题发表在IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs。该研究得到了国家自然科学基金等经费支持。合肥工业大学为第一署名单位，我校张章教授为本文第一作者，程心老师为本文通讯作者。
作为RNNs的核心模块门控循环单元（GRU）可将迭代乘法运算转化为累加运算，解决梯度爆炸或消失问题。然而，GRU模型的运算通常涉及大量的网络参数和迭代运算。使用传统的架构系统执行GRU模型需要大量的计算资源，而数据传输也限制了整体计算速度，在硬件实现上存在严重瓶颈。团队提出了一个基于忆阻器的GRU单元全电路。GRU电路作为循环神经网络工作的核心模块，具有充分的硬件实现和实际应用潜力。模拟实验显示电路模拟输出和软件模拟输出之间的平均误差相对较低，为1.07%，这说明该电路在GRU模型中显示出良好的兼容性。之后建立了一个八层GRU网络来处理手写字符序列检测任务，识别精度达到93%，预测任务精度达到92%。这表明所设计的GRU网络在处理时间序列数据时具有较好的性能。本工作扩展了基于忆阻器的神经形态计算系统在人工智能领域中的应用范围。
该工作于2022年12月在以“Memristor based Circuit Demonstration of Gated Recurrent Unit for Predictable Neural Network”为题发表在IEEE Transactions on Electron Devices。该研究得到了国家自然科学基金等经费支持。合肥工业大学为第一署名单位，我校张章教授为本文第一作者。
二
解析数论领域
数学学院代数与编码课题组吴小胜教授独立完成的论文The fourth moment of Dirichlet L-functions at the central value在知名数学期刊Mathematische Annalen上发表。
Dirichelt-L函数在中心点处的四次均值公式是解析数论经典问题，被数论界广泛关注。1979年，牛津大学著名数学家D. R. Heath-Brown首次针对部分模（素因子数量不多的情形）给出了渐近公式的首项。2005年，J. B. Conrey等五位数论专家在他们关于L函数均值研究的论文中，提出了关于L函数均值公式的系列猜想。作为这些猜想的一部分，Dirichelt-L函数在中心点处的四次均值有一个具有5个主项的渐近公式猜想。2007年，斯坦福大学著名教授K. Soundararajan借助于更巧妙的估计，消除了Heath-Brown工作中对素因子数量的依赖，从而证明了猜想中渐近公式的首项。在发表于2011年Annals of Mathematics上一篇题为The fourth moment of Dirichlet L-functions的论文中，著名数论专家M. P. Young证明了猜想中的渐近公式对素数模是成立的。在这篇长达50页的论文中，吴小胜教授通过确立一类除数和函数的解析性质，克服了对素数模的依赖，从而证明了渐近公式对一般模成立，即证明了猜想中的渐近公式。
该工作得到了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金项目资助。合肥工业大学为该论文唯一署名单位，吴小胜教授是论文唯一作者。
论文链接：https://doi.org/10.1007/s00208-022-02483-9
三
Hadamard单像素成像领域
微电子学院安徽省MEMS工程技术研究中心许高斌教授团队于永强课题组针对有广泛应用前景的新型成像技术——单像素成像（single-pixel imaging），设计并制备了用于Hadamard单像素成像的低暗电流V2CTx/n-Si vdW肖特基光电二极管，在不添加任何滤波电路的条件下实现了高质量的128128像素的成像结果。相关研究成果以“Low dark-current V2CTx/n-Si van der Waals Schottky photodiode for Hadamard single-pixel imaging” 为题发表在微电子器件权威期刊IEEE Electron Device Letters。研究生刘佳杨为论文第一作者，于永强副教授，许高斌教授和仪器科学与光电工程学院马孟超副教授为共同通讯作者。
图1 (a) Hadamard单像素成像原理图；(b)Hadamard单像素成像系统示意图及实验应用照片；采样率为(c) 25%, (d) 50%, (e) 75%和(f) 100%时的Hadamard光谱(上图)和成像结果(下图)。
单像素成像 (SPI) 作为一种新颖的计算成像技术，因其在解决传统成像中的一些难题方面具有巨大潜力而受到越来越多的关注，在三维 (3D) 成像、超光谱成像和太赫兹成像等领域具有广阔的应用前景。Hadamard单像素成像 (HSI) 作为SPI技术的代表，由于其与高速数字微镜器件 (DMD) 的完美匹配，能够有效地提高SPI的数据采集速度和图像重构质量。对弱光条件的可靠响应是发挥HSI优势的必要前提，因此，人们尝试使用高势垒高度、低暗电流的光电二极管来满足这一条件。然而，传统的硅基肖特基势垒光电二极管在提高肖特基势垒高度时遇到了金属电极材料在肖特基接触界面扩散导致接触质量差的难题。近年来，二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物 (MXenes)，由于其表面无悬挂键和功函数可调节的特性，已被有效应用于构建高势垒高度的肖特基势垒二极管结构。
研究者利用MXenes材料的表面官能团结构可以对MXenens材料的功函数进行调节的特性，设计并制备了垂直结构的V2CTx/n-Si van der Waals (vdW) 肖特基光电二极管。该器件具有高达1.37 eV的肖特基势垒高度，为目前硅肖特基势垒最高值；在零偏压和-2 V偏压时暗电流密度分别低至1.5710-12 A/cm2和1.2510-7A/cm2， 远低于当前报道的硅基肖特基光电二极管的值；线性动态范围达到77 dB。将该光电二极管用于Hadamard单像素成像探测器，系统研究了采样率对成像质量的影响，实现了在25%采样率下128128像素的高质量成像结果。研究结果对构建用于单像素成像的新型低暗电流光电二极管提供了新的途径。
四
脂肪因子调控机制研究领域
食品与生物工程学院刘健教授团队青年教师、“黄山学者”学术骨干张弦副教授（第一作者），和哈佛大学医学院Guo-Ping Shi教授等合作，以合肥工业大学为第一单位，在Nature Communications在线发表了题为“Differential IL18 signaling via IL18 receptor and Na-Cl co-transporter discriminating thermogenesis and glucose metabolism regulation”的研究。该研究报道了，IL18作为棕色脂肪因子，通过NCC促进BAT产热和线粒体功能，通过IL18r增加WAT胰岛素敏感性和葡萄糖代谢，进而改善肥胖和胰岛素抵抗的作用机制。
肥胖作为糖尿病、心脑血管疾病等代谢疾病的重要危险因素，其根本上是由于能量摄入和能量代谢的失衡，导致过剩的能量在脂肪等组织中堆积。不同于白色脂肪细胞以储脂为主要功能，经典棕色和米色脂肪细胞等棕色脂肪类细胞通过分解甘油三酯将化学能转化为热能。因此，启动脂肪细胞棕色化和产热，已经成为攻克肥胖和相关代谢疾病的重要靶点。
白介素18（IL18）是一个在肥胖和多种代谢疾病发生发展中起重要作用的多效细胞因子。此前的研究已发现，IL18可以在脂肪细胞等多种细胞中表达，通过受体IL18r和NCC协作介导发挥作用。然而，IL18是否可能作为脂肪细胞因子，通过这些受体调控脂肪细胞产热、胰岛素敏感性和葡萄糖代谢尚不清楚。
利用各种全身性和细胞特异性转基因小鼠，该研究发现，IL18是由棕色脂肪组织（BAT）棕色脂肪细胞和皮下脂肪组织（SAT）米色脂肪细胞分泌的棕色脂肪因子。棕色脂肪细胞源IL18，通过NCC调控BAT线粒体功能和脂解作用，促进产热；通过IL18r调控WAT胰岛素信号通路和葡萄糖代谢，促进葡萄糖耐受和胰岛素敏感性。该研究阐明了IL18信号通路在脂肪组织功能中的调控机制，丰富了脂肪因子功能学研究，为肥胖和胰岛素抵抗的治疗提供了新的思路和靶标。
食品与生物工程学院为本文第一单位，张弦副教授是本文第一作者，团队博士生曹琼琼和硕士生张志鑫参与了本文研究，美国哈佛大学医学院Guo-Ping Shi教授和郑州大学第一附属医院刘章锁教授是本文共同通讯作者。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-35256-8
五
多刺激源响应柔性智能材料和可持续运动的软驱动器领域
工业与装备技术研究院常龙飞副研究员、胡颖研究员团队，在前期光响应自振荡智能驱动器基础上，联合爱沙尼亚塔尔图大学LMS实验室，设计了一种具有光、电、热、湿度等多刺激源响应的柔性智能驱动/传感材料，并在此基础上开发了可自适应趋光/背光运动的软体机器人以及在太阳光照射下产生电能的光致发电装置。该研究工作以“A Versatile Ionomer-based Soft Actuator with Multi-stimulus Responses, Self-Sustainable Locomotion, and Photoelectric conversion”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。
具有高灵敏的多刺激源响应柔性智能材料和自主持续运动的软驱动器，在柔性机器人、可穿戴设备、人机交互、人工智能等领域具有重要应用价值，是近年来材料科学及工程技术领域的前沿课题，也是一个极具挑战的目标。
该团队利用全氟磺酸离子聚合物独特的液固共存体系、纳米质量传递通道、高负热膨胀和高吸湿敏感性，碳纳米管（CNT）出色的光热/电热转换效率和桥接效应以及聚乙烯(PE)的各向异性大热膨胀性能，设计制备了一种新的双层结构智能材料。该智能材料具有极高的温湿度敏感性以及在光、电、热、湿度等多种刺激源驱动下的优异的多样化变形行为，包括大弯曲和螺旋卷绕/开卷变形。进一步通过光-机械自反馈的结构设计，研发了多种软体机器人原型机，如具有自主运动能力（根据光照位置的不同来自我调节产生趋光运动和背光运动）和适应不同地形或负载条件（能够越障和攀爬）的软体机器人，以及在自然太阳光下进行持续自震荡运动、将太阳能转换为电能的光致变形摩擦纳米发电机。
该工作中提出的柔性智能材料及相关的软体机器人不仅具有多样化的驱动/传感行为、优异的智能运动特性，还具有高稳定性和可重复性，为后续的多功能柔性微型机器人以及新型能源器件的研究提供了基础和实现的可能性。
上述研究工作得到国家自然科学基金、CSC访问学者奖学金、欧盟地平线2020研究和创新计划等资助，常龙飞副研究员、硕士生王冬平为共同第一作者，爱沙尼亚塔尔图大学LMS实验室的Alvo Aabloo教授参与指导，胡颖研究员为通讯作者。
图1:在光照射下具有自持续运动的轮式软体机器人（趋光/背光运动及自适应负载、越障行为）
图2:CNT-Nafion/PE构建的光照下可持续自振荡软体机器人、摩擦纳米发电机以及将太阳能转换为电能的光致发电装置