Study, modelling and integration of neuromorphic systems with Organic Electrochemical Transistors

Neuromorphic engineering aims to bridge the gap between artificial intelligence and the brain’s processing capabilities while also creating a possible interaction between artificial systems and the biological nervous system. As the electrolyte is a fundamental component of Organic Mixed Ionic-Electronic Conductors (OMIECs), they offer a promising alternative by mimicking the ionic-to-electronic transduction of biological synapses. This work explores the development and application of OECT-based (Organic Electrochemical Transistors) neuromorphic devices, specifically focusing on the Organic Artificial Neuron (OAN). We characterize the fundamental operation of the OAN and present methodologies to tailor its performance, demonstrating also a possible bio-interfaced applications. A central contribution of this research is the implementation of a synaptic interconnection between OANs capable of phase-regulated synchronization. By integrating Ion-Selective Membranes and memory elements, we demonstrate a synapse capable of ion-selectivity and short-term memory. These components serve as the building blocks for Central Pattern Generators (CPGs), which are essential for regulating rhythmic biological movements. Finally, we investigate a multi-input, mechano-sensitive OAN capable of responding to both mechanical bending and local electrolytic changes, paving the way for advanced applications in soft biorobotics and point-of-care diagnostics.

L'ingegneria neuromorfica mira a colmare sia il divario tra l'intelligenza artificiale e le superiori capacità del cervello in termini di efficienza energetica e parallelismo di calcolo che l’interazione tra sistemi artificiali e un sistema nervoso biologico. Poiché l'elettrolita rappresenta una componente fondamentale dei conduttori organici a conduzione mista ionico-elettronica (Organic Mixed Ionic-Electronic Conductor, OMIEC), questi offrono una promettente alternativa imitando la trasduzione ionico-elettronica delle sinapsi biologiche. Questo lavoro esplora lo sviluppo e l'applicazione di dispositivi neuromorfici basati su OECT (Organic Electrochemical Transistor, transistor elettrochimici organici), focalizzandosi in particolare sul neurone artificiale organico (Organic Artificial Neuron, OAN). Nel testo vengono caratterizzati il funzionamento fondamentale dell'OAN e presentate metodologie per ingegnerizzare tale sistema, dimostrando inoltre possibili applicazioni come interfaccia bio-compatibile. Un contributo centrale di questa ricerca è l'implementazione di un'interconnessione sinaptica tra due OAN in grado di sincronizzarsi ad una specifica fase regolabile. Integrando membrane iono-selettive ed elementi di memoria (in particolare una capacità basata su PEDOT:PSS), viene dimostrata una sinapsi capace di selettività ionica e memoria a breve termine. Questi componenti fungono da elementi costitutivi per un Central Pattern Generator (CPG), essenziale per la regolazione dei movimenti biologici ritmici come la camminata. Infine, viene studiato un OAN meccano-sensibile a diversi stimoli, capace in particolare di rispondere sia ad una flessione meccanica che ad una variazione della concentrazione elettrolitica locale, aprendo la strada ad applicazioni avanzate nella biorobotica con materiali flessibili e nella diagnostica localizzata.