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長(zhǎng)期以來(lái)，使用人工流體系統(tǒng)再現(xiàn)基于離子通道的神經(jīng)功能，一直是神經(jīng)形態(tài)計(jì)算和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的理想目標(biāo)。

在此，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所毛蘭群研究員和于萍研究員使用聚電解質(zhì)限域的流體憶阻器（PFM）成功地實(shí)現(xiàn)了神經(jīng)形態(tài)功能，其中限域聚電解質(zhì)-離子相互作用有助于滯后離子傳輸，從而產(chǎn)生離子記憶效應(yīng)。同時(shí)，PFM模擬了各種電脈沖模式，能耗超低。

此外，PFM的流體特性能夠模擬化學(xué)調(diào)節(jié)的電脈沖，更重要的是化學(xué)電信號(hào)傳導(dǎo)是通過(guò)單個(gè)PFM實(shí)現(xiàn)。憑借其與離子通道的結(jié)構(gòu)相似性，PFM用途廣泛，易于與生物系統(tǒng)兼容，通過(guò)引入豐富的化學(xué)設(shè)計(jì)，為構(gòu)建具有先進(jìn)功能的神經(jīng)形態(tài)裝置鋪平了道路。

相關(guān)論文以“Neuromorphic functions with a polyelectrolyte-confined fluidic memristor”為題發(fā)表在Science。

隨著科技的發(fā)展，人們對(duì)類人腦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了極大的興趣，并可能導(dǎo)致下一代具有神經(jīng)形態(tài)的設(shè)備開(kāi)發(fā)。到目前為止，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了具有不同模式的神經(jīng)形態(tài)功能，并以各種方式納入應(yīng)用，其主要是固態(tài)電阻可切換器件，包括兩端憶阻器和三端晶體管。然而，迄今為止實(shí)現(xiàn)的大多數(shù)神經(jīng)形態(tài)功能都是基于使用固態(tài)器件模擬電脈沖模式。

生物突觸的類似物，特別是在基于溶液的環(huán)境中模擬化學(xué)突觸，對(duì)于這些固態(tài)器件來(lái)說(shuō)仍然非常具有挑戰(zhàn)性。

在這方面，基于流體的憶阻器有希望在水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)功能，其與生物系統(tǒng)具有優(yōu)越的相容性，并且通過(guò)引入不同的化學(xué)物質(zhì)賦予神經(jīng)形態(tài)裝置大量功能。先前的嘗試表明，具有高級(jí)功能的基于離子的微流體或納流體器件可以通過(guò)將電解質(zhì)限制在微通道或納米通道中來(lái)實(shí)現(xiàn)，且這些受限系統(tǒng)具有憶阻性。

此外，通過(guò)引入離子液體-電解質(zhì)界面，納米通道獲得了長(zhǎng)期可塑性，但在水性介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)神經(jīng)形態(tài)功能仍然是一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)，最主要原因在于：水環(huán)境中的強(qiáng)屏蔽作用極大地阻礙了離子間相互作用，從而限制了基于流體的系統(tǒng)中記憶的形成。

圖1. PFM的電導(dǎo)率變化

在本文中，作者報(bào)告了一種聚電解質(zhì)限域流體憶阻器（PFM），它可以成功地完成各種神經(jīng)形態(tài)功能，不僅可以模擬電脈沖模式，還可以模擬化學(xué)電信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)。

受生物離子通道的啟發(fā)，生物離子通道通過(guò)空間約束和分子識(shí)別控制離子通量來(lái)充當(dāng)天然憶阻器（圖1A），本文設(shè)計(jì)并制造了聚咪唑刷（PimB）-限域流體通道（圖1B），原因在于聚咪唑具有高電荷密度，豐富的化學(xué)性質(zhì)以及識(shí)別不同陰離子的多功能能力。

通常，PimB通過(guò)表面引發(fā)的原子轉(zhuǎn)移自由基聚合生長(zhǎng)到玻璃微量或納米移液器的內(nèi)壁上。因此，流體被PimBs限制，其中在電場(chǎng)或化學(xué)物質(zhì)的刺激下，PimBs內(nèi)部和外部之間陰離子濃度平衡和電荷平衡的建立將滯后，從而產(chǎn)生離子記憶。

圖2. PFM的短期可塑性（STP）電脈沖

圖3. 化學(xué)調(diào)節(jié)STP電脈沖

基于流體的離子再分布動(dòng)力學(xué)可以賦予PFMs難以實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)形態(tài)功能多功能性，從而為神經(jīng)形態(tài)功能引入特定的化學(xué)調(diào)節(jié)途徑提供了機(jī)會(huì)。更令人印象深刻的是，化學(xué)電信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的仿真可以用這個(gè)設(shè)備完成。

與基于其他機(jī)制的神經(jīng)形態(tài)裝置相比，本文基于流體的裝置不僅具有與生物系統(tǒng)相當(dāng)?shù)男阅?，而且還具有更先進(jìn)的神經(jīng)形態(tài)功能，尤其是化學(xué)相關(guān)功能。

圖4. PFM的化學(xué)電信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

此外，盡管所介紹的PFM具有一系列優(yōu)勢(shì)，包括神經(jīng)形態(tài)功能的多樣性，多個(gè)離子載體的調(diào)節(jié)和共存的可能性以及與生物系統(tǒng)的便捷接口，但在實(shí)現(xiàn)PFM更廣泛的應(yīng)用的道路上仍然存在巨大挑戰(zhàn)。

例如，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期塑性是基于流體的系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)，其中引入更強(qiáng)（甚至不可逆）的界面識(shí)別相互作用可能有助于延長(zhǎng)離子記憶。用于內(nèi)存計(jì)算的流體憶阻器的放大是另一個(gè)挑戰(zhàn)，多孔微或納流體陣列可能提供解決方案。

Tianyi Xiong, Changwei Li, Xiulan He, Boyang Xie, Jianwei Zong, Yanan Jiang, Wenjie Ma,Fei Wu, Junjie Fei, Ping Yu*, Lanqun Mao*, Neuromorphic functions with a polyelectrolyte-confined fluidic memristor, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9150

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