Abstract Synapses are essential to the transmission of nervous signals. Synaptic plasticity allows changes in synaptic strength that make a brain capable of learning from experience. During development of neuromorphic electronics, great efforts have been made to design and fabricate electronic devices that emulate synapses. Three‐terminal artificial synapses have the merits of concurrently transmitting signals and learning. Inorganic and organic electronic synapses have mimicked plasticity and learning. Optoelectronic synapses and photonic synapses have the prospective benefits of low electrical energy loss, high bandwidth, and mechanical robustness. These artificial synapses provide new opportunities for the development of neuromorphic systems that can use parallel processing to manipulate datasets in real time. Synaptic devices have also been used to build artificial sensory systems. Here, recent progress in the development and application of three‐terminal artificial synapses and artificial sensory systems is reviewed.

Abstract A graphdiyne-based artificial synapse (GAS), exhibiting intrinsic short-term plasticity, has been proposed to mimic biological signal transmission behavior. The impulse response of the GAS has been reduced to several millivolts with competitive femtowatt-level consumption, exceeding the biological level by orders of magnitude. Most importantly, the GAS is capable of parallelly processing signals transmitted from multiple pre-neurons and therefore realizing dynamic logic and spatiotemporal rules. It is also found that the GAS is thermally stable (at 353 K) and environmentally stable (in a relative humidity up to 35%). Our artificial efferent nerve, connecting the GAS with artificial muscles, has been demonstrated to complete the information integration of pre-neurons and the information output of motor neurons, which is advantageous for coalescing multiple sensory feedbacks and reacting to events. Our synaptic element has potential applications in bioinspired peripheral nervous systems of soft electronics, neurorobotics, and biohybrid systems of brain–computer interfaces.

An electro-optical modulation synaptic device is proposed; it can emulate both brain-like processing and nervous perception functions by using a special nanoparticle-based conductive channel for the first time. In an electrical-processing synapse (EPS), ion diffusion behaviors during point contact and plane contact showed short-term plasticity with different gains and various synaptic functions such as paired-pulse facilitation, memory enhancement, spatiotemporal signal processing, and fault-tolerant behavior of logic operations. The EPS array is also mechanically flexible; the postsynaptic current retained 41.8% of the initial value after 10,000 bends, which represents the largest number of bending cycles of a flexible synaptic transistor so far. As a nervous optical sensing-processing synapse (OSPS), it can respond to ultraviolet light of different intensities and durations under sensitive millivolt reading voltage and also act as nociceptors to realize the pain perception. The ability of synaptic device to adjust their responses is important to connect brain-like devices to an artificial nervous system, so this electro-optical synaptic unit is a promising candidate for use in neuromorphic and flexible electronics, to combine brain-like processing and artificial sensory nerves.

Abstract Polycrystalline organometal halide perovskite films have been recently exploited as the active layer in artificial synapses, demonstrating the basic functional emulation of biological synapses. However, for the implementation of neuromorphic computing and bioinspired intelligent systems, full synapse‐like functionality with a simple structure and extremely low energy consumption are of crucial importance. Here, a modified thickness‐confined surfactant‐assistant self‐assembly strategy is proposed to synthesize CH 3 NH 3 PbBr 3 single‐crystalline thin platelets (SCTPs) and a two‐terminal lateral‐structured synaptic device with ultralow operating current down to sub‐pA is fabricated. Essential synaptic behaviors are realized, including paired‐pulse facilitation, spike‐dependent plasticity, transition from sensory memory to short‐term memory and potentiation/depression. Furthermore, the activity‐dependent plasticity is also demonstrated on the SCTP‐based artificial synapse, which may enable nociceptors to detect intense external harm. These results provide a new protocol for designing lateral‐structured synaptic devices based on hybrid perovskite SCTPs and future neuromorphic bioelectronics.

Ultrasensitive two-terminal synaptic devices based on mixed-halide perovskites were fabricated, which could emulate the fundamental bio-synaptic functions.

Artificial synapses emulate biological synaptic signals in neuromorphic systems to attain brain-like computation and autonomous learning behaviors in non-von-Neumann systems. Several classes of materials have been applied to this field to achieve numerous functionalities of biological synapses. Nanomaterials (NMs), such as one-dimensional (1D) and two-dimensional (2D) NMs have shown great potential due to their nanometer feature size (1D) and molecular-level thickness (2D). In this paper, we review the development of artificial synapses, and discuss state-of-the-art artificial synapses based on NMs.

In biological synapses, short‐term plasticity is important for computation and signal transmission, whereas long‐term plasticity is essential for memory formation. Comparably, designing a strategy that can easily tune the synaptic plasticity of artificial synapses can benefit constructing an artificial neural system, where synapses with different short‐term plasticity (STP) and long‐term plasticity (LTP) are required. Herein, a strategy is designed that can easily tune the plasticity of crystallized conjugated polymer nanowire‐based synaptic transistors (STs) by low‐temperature solvent engineering. Essential synaptic functions are achieved, such as excitatory postsynaptic current (EPSC), paired‐pulse facilitation (PPF), spike‐frequency‐dependent plasticity (SFDP), spike‐duration‐dependent plasticity (SDDP) and spike‐number‐dependent plasticity (SNDP), and potentiation/depression. The balance between crystallinity and roughness is successfully adjusted by altering solvent compositions, and plasticity of the synaptic device is easily tuned between short term and long term. The evident transition from STP to LTP, good linearity and symmetry of potentiation and depression, and the broad dynamic working range of synaptic weight are achieved. This provides a facile way to tune synaptic plasticity at low temperatures and is applicable to future organic and flexible artificial nervous systems.

Neural perception and action-inspired electronics is becoming important for interactive human-machine interfaces and intelligent robots. A system that implements neuromorphic environmental information coding, synaptic signal processing, and motion control is desired. We report a neuroinspired artificial reflex arc that possesses visual and somatosensory dual afferent nerve paths and an efferent nerve path to control artificial muscles. A self-powered photoelectric synapse between the afferent and efferent nerves was used as the key information processor. The artificial reflex arc successfully responds to external visual and tactile information and controls the actions of artificial muscle in response to these external stimuli and thus emulates reflex activities through a full reflex arc. The visual and somatosensory information is encoded as impulse spikes, the frequency of which exhibited a sublinear dependence on the obstacle proximity or pressure stimuli. The artificial reflex arc suggests a promising strategy toward developing soft neurorobotic systems and prostheses.

Abstract This paper presents the first synaptic transistor (ST) that combines crossed p‐type and n‐type semiconductor nanowires (NWs) to form a bipolar conductive channels. The bipolar channel with both electron and hole transport paths enables the emulation of multiplexed neurotransmission of different neurotransmitters in a brain to realize complex neural functions using nanowires. Except for basic synaptic functions, the device demonstrates the potential to distinguish reward‐processing and aversive responses. The opposite polarities of NWs enable emulation of a series of complex neural activities using a single electronic device, such as satiety, depression, and drug withdrawal. The device is applicable to deep convolutional neural networks for electrocardiograms. The new strategy of versatile use of electro‐hydrodynamically printed NWs (e‐NWs) is expected to facilitate emulation of complex neural behaviors, and the realization of future neuromorphic electronics that are capable of these behaviors.

Abstract Messenger RNA (mRNA) has recently emerged as a new drug modality with great therapeutic potential. However, linear mRNAs are relatively unstable and also require base modification to reduce their immunogenicity, imposing a limitation to the broad application. With improved stability, the circular RNA (circRNA) presents a better alternative for prolonged expression of the proteins, however the in vitro circularization of RNA at a large scale is technically challenging. Here we developed a new self-catalyzed system to efficiently produce circRNAs in a co-transcriptional fashion. By rational sequence design, we can efficiently produce scarless circRNAs that do not contain foreign sequences. The resulting circRNAs are very stable and have low immunogenicity, enabling prolonged protein translation in different cells without cellular toxicity. The circRNAs generated from this platform can be encapsulated in lipid nanoparticles and efficiently delivered into mice to direct robust protein expression. Finally, the circRNAs encoding RBD of SARS-CoV-2 S protein induced strong antibody productions, with neutralization antibody titers higher than the preclinical data from the linear mRNAs. Collectively, this study provided a general platform for efficient production of circRNAs, demonstrating the potential of circRNAs as the new generation of mRNA therapy.