勇于冒險 甘于艱苦 樂于和諧

? ? ? ?生物神經網絡以離子為信息載體，通過動態調控離子傳輸實現高效、低功耗的信息處理，這一機制為突破傳統電子器件的局限提供了全新思路。傳統神經形態器件依賴電子傳輸，存在調控多樣性不足、能耗高、生物兼容性差等問題，且難以模擬生物系統的復雜連接性（如突觸外耦合效應）。離子神經形態器件通過模擬生物離子傳輸機制，為構建類腦智能系統開辟了新路徑。近期，南方科技大學肖凱團隊在這一領域取得了系列進展，相關成果分別發表在《Advanced Materials》、《Advanced Functional Materials》和《ACS Nano》。

1.基于離子限域傳輸的仿生視網膜

? ? ? ?在這項研究中，我們成功開發了具有抑制與興奮功能的人工突觸并構建了一種離子基仿生視網膜。該研究通過精細調控離子水凝膠的結構來限制離子傳輸，使得人工突觸器件僅在光輸入的情況下，實現了對光信號的正、負調控。其中，器件結構設計巧妙：稀疏的水凝膠底層形成抑制性突觸，有效削弱噪聲信號；而較致密的底層水凝膠層則形成興奮性突觸，用于增強信號。通過設計并集成抑制型與興奮型器件，該仿生視網膜展現出多樣的視覺處理能力，如邊緣檢測、噪聲抑制和運動分析等。此外，這些器件還能支持機器人車輛的路徑規劃，實現更智能的視覺感知。本研究通過精確調控離子傳輸，為仿生視網膜的構建提供了一種創新方案，使其在功能上更接近于生物視網膜，進一步推動了神經形態視覺系統的發展。該研究以題為“Bio-Inspired Retina by Regulating Ion-Confined Transport in Hydrogels”的論文發表在最新一期《Advanced Materials》上。肖凱副教授（南方科技大學），王瑞兵教授（澳門大學），劉泉影助理教授（南方科技大學）和王力博士（已于今年2月份入職南京工業大學）共同擔任通訊作者，澳門大學和南方科技大學聯培的博士生張紅杰為論文第一作者，南方科技大學碩士研究生王淞為共同第一作者。原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202500809

2.用于自供電觸覺-視覺融合感知的仿生離子水凝膠突觸

? ? ? ?在這項工作中，我們提出了一種無縫集成了多模態傳感和突觸特性的離子水凝膠器件，為自供電的觸覺-視覺融合感知創造了一個簡化的架構。該研究通過雙層不對稱水凝膠中的壓電離子和離子熱擴散效應精確控制離子傳輸，實現了自驅動多模態傳感。其中離子弛豫效應是由陰離子和陽離子之間的不同遷移率引起的，成功了模擬包括短期和長期可塑性在內的突觸特性。因此，僅此設備就構成了一個自供電的觸覺視覺感知融合系統，其信號通路類似于皮膚和視網膜的信號通路，能夠賦予機械臂智能抓取能力和類似于人類避險的反射行為。這項工作突破了傳統多模態系統依賴分立元件和外部供能的局限，為開發面向類人機器人感知系統與智能人機交互界面的神經形態器件提供了新范式。該研究以題為“A biomimetic ionic hydrogel synapse for self-powered tactile-visual fusion perception”的論文發表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。本論文以南方科技大學為第一單位，肖凱副教授、張明明副教授、王力博士后（已于今年2月份入職南京工業大學）為共同通訊作者，碩士研究生吳婕為論文第一作者。原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202500048

3.超低功耗離子凝膠納米纖維人工突觸中的突觸外耦合效應與工作記憶增強

? ? ? ?在這項工作中，我們提出了一種基于雙層異質離子凝膠納米纖維網絡的仿生突觸器件，借助其充放電過程中離子電勢弛豫行為模仿突觸的脈沖放電功能，實現了離子神經形態器件陣列化構筑，并用于低能耗類腦計算。該結構通過選擇性離子捕獲與非對稱遷移機制，復現生物突觸可塑性，能耗僅為6 fJ，與生物突觸能效相當。基于離子短期記憶與非線性構建的儲備池計算系統，在MNIST手寫數字識別中實現了88%的準確率，展現了離子在邊緣計算的高效性。更重要的是，利用離子獨有的全局共享特性，在器件陣列上驗證了類似生物神經元的突觸外耦合效應，在n-back工作記憶任務中達成94%以上的類腦級精度，為構建高能效、高復雜度的類腦智能系統開辟了新路徑。該研究以題為“Ephaptic Coupling in Ultralow-Power Ion-Gel Nanofiber Artificial Synapses for Enhanced Working Memory”的論文發表在最新一期《Advanced Materials》上。本論文以南方科技大學為第一單位，肖凱副教授、劉泉影助理教授、王力博士后（已于今年2月份入職南京工業大學）為共同通訊作者，碩士研究生陳遠夏為論文第一作者。原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202419013

4.納米流體易失型閾值轉變離子憶阻器：展望

? ? ? ?易失型閾值轉變憶阻器和泄露積分發放是模仿大腦脈沖發放的經典模型。相較于已存在的三種電子易失型閾值轉變憶阻器，目前尚未有被實驗實現的納米流體易失型閾值轉變離子憶阻器。考慮到其低功耗、作為信號和物質載體的雙重作用、離子/分子多樣性、生物相容性等特點，納米流體易失型閾值轉變離子憶阻器具有巨大潛力并亟待實驗上的證明。同時，在與生物體系交互過程中，離子器件由于其獨特的載流子和工作環境，可以在生物環境和非生物環境之間建立高生物相容性和高可靠性的界面以實現準確高效的雙向信息傳輸，該特性可以補充傳統電子器件由于其剛性、不可形變和平面結構的特點在生物交互上的不足。基于此，我們提出了三種可能實現納米流體易失型閾值轉變離子憶阻器的策略，并希望進一步實現納米流體離子器件電路的搭建。該展望以題為“Nanofluidic Volatile Threshold Switching Ionic Memristor: A Perspective”的論文發表在最新一期《ACS Nano》上。本論文以南方科技大學為第一單位，肖凱副教授為通訊作者，科研助理張米良為論文第一作者，徐國恒博士后為共同第一作者。原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c17760

文字：張紅杰、吳婕、陳遠夏、張米良

課題組介紹：

? ? ? ?肖凱副教授課題組長期招聘研究助理教授、博士后、科研助理和交流學生。課題組自2021年9月成立，圍繞“神經仿生材料”“類腦計算器件”“神經調控技術”開展多學科交叉研究。課題組成員以南科大為第一單位在Nat. Commun., Sci. Adv., Adv. Mater., Angew等雜志發表多篇文章，課題組多位博士后成員獲批國自然青年基金、博士后海外引才專項基金等。具體信息見課題組網站：http://www.xiaokai-group.cn/?

? ? ? ?招聘科研背景要求：1. 材料化學：具有電化學、無機納米材料制備、離子導電聚合物、凝膠材料、膠體界面化學等研究背景者優先。2. 器件制備：具有生物電子/柔性電子器件、微納電子器件、微納流體器件、神經擬態器件、可穿戴器件、智能傳感器件、清潔能源器件等研究背景者優先。3. 生物信號調控及神經計算：具有神經工程、細胞/生物電生理調控、神經計算等研究背景者優先。有意者直接和肖凱老師聯系：xiaok3@sustech.edu.cn