研发“离子电子”仿生水凝胶神经假体，实现受损后0.02秒“智力”恢复
随着神经形态工程学从单纯的模仿神经架构发展到与生物组织主动交互，神经假体领域正迎来革命性突破。然而，要将这些技术进步转化为实用的神经假肢，不仅需要材料动力学能够模拟神经元行为以完成分类、预测等智能任务，还需具备应对生物信号波动的自适应调节能力。更重要的是，作为神经组织的实际替代品，其在面对不可预测的损伤或故障时，物理与功能的鲁棒性与功能替代本身同等关键。尽管自修复电子学已能恢复类突触功能，但其在更高阶认知功能修复方面的应用仍然有限。
南京大学万昌锦副教授、施毅教授、薛斌副教授、李昀教授和新加坡南洋理工大学陈晓东教授、甬江实验室万青教授合作，开发出一种基于水凝胶的离子电子储层（HIRE），实现了兼具卓越物理与功能鲁棒性的神经形态假体。该系统利用水凝胶-电极界面的非线性动力学作为物理储层预处理时间序列信号，对外界物理损伤的敏感度极低。研究显示，该HIRE系统在语音识别任务中达到了95%的准确率，并在断裂面重新接触后0.02秒内即可恢复此能力，在神经康复过程中远超生物系统。此外，其pH敏感的动力学特性还能在大鼠模型中实现自适应闭环神经刺激控制，为神经康复和感觉运动功能修复验证了其巨大潜力。相关论文以“An iontronic reservoir for highly robust neuromorphic prosthesis”为题，发表在
Nature Materials上。
HIRE器件采用三端平面忆容器结构，以由聚乙烯亚胺（PEI）和聚丙烯酸（PAA）物理交联而成的自愈合水凝胶（SHH）作为介电层，激光诱导石墨烯（LIG）作为电极（图1c）。这种设计将离子动力学限制在纳米尺度的离子电子界面，使其从根本上抵抗机械干扰。实验证明，该水凝胶通过PAA和PEI链间的静电相互作用，能在室温下无需外界刺激即可自主愈合（图1e）。力学测试显示，愈合9分钟后，水凝胶可恢复其初始应变能力的77.8%（图1f）。T-剥离测试也证实，随着愈合时间延长，界面粘附力逐渐增强（图1g）。该器件在按压、拉伸、切割及愈合后等多种物理状态下均能保持结构完整和电气性能（图1d）。
图1 | 基于自愈合水凝胶的离子电子储层计算 a, 水凝胶内纳米尺度界面动力学示意图，描绘了在切割、拉伸和压缩等机械形变下的紧密层和扩散层。Φ表示跨越紧密层和扩散层的电势分布。 b, HIRE的示意图，展示了其利用非线性变换实现神经形态应用中高阶认知功能。 c, 离子电子储层器件架构（左）、外围电路连接（右下）及器件照片（右上）。比例尺，1厘米。 d, 自愈合水凝胶器件在六种不同状态下的照片：（i）原始完好器件；（ii）受压变形下的器件，通过在其表面放置50克砝码实现；（iii）拉伸变形下的器件，对应其原始长度拉伸20%；（iv）器件刚被切断并接触后，代表结构愈合的初始阶段；器件先经历（v）按压再经历（vi）拉伸变形后，愈合3分钟后施加相同的物理条件（按压为50克砝码，拉伸为20%伸长率）。比例尺，1厘米。 e, 示意图说明物理交联的PAA/PEI水凝胶的切割与愈合机制。下图显示荧光成像，展示了愈合过程中离子迁移和裂纹修复。 f, PAA/PEI水凝胶在不同愈合阶段的力学拉伸测试。插图显示水凝胶被拉伸。 g, 从T-剥离试验中获得的代表性力-位移曲线，用于测量结构愈合过程中的粘附强度。插图显示了T-剥离过程。
在电学特性方面，HIRE器件展现出典型的忆容行为和非线性动力学（图2c）。电化学阻抗谱显示，输入-输出（IN-OUT）电极配置的阻抗值约为输入-地（IN-GND）和地-输出（GND-OUT）的两倍（图2b），为器件的迟滞行为提供了基础。器件表现出短程可塑性，单个脉冲响应在2秒内衰减98.07%（图2d），且可通过调节脉冲幅度和宽度调控可塑性（图2e，f）。通过不同脉冲间隔观测到的双脉冲易化现象（图2g）以及对4位二进制脉冲序列产生的16种不同输出状态（图2h），验证了其时间编码能力，t-SNE分析表明储层能将输入映射到更高维度的线性可分表示空间（图2i）。
图2 | HIRE器件的电学表征 a, 器件工作原理示意图。 b, 器件中不同电极对之间测得的奈奎斯特图。 c, 不同电压扫描范围下的VOUT-VIN迟滞曲线。 d, 器件对单个200毫秒持续时间、1V幅值的输入脉冲的响应。插图说明生物突触。 e, 作为脉冲持续时间函数的短时记忆特性（±1 V幅值）。 f, 由不同幅度电脉冲触发的短时记忆特性（脉冲持续时间，TIN = 0.1秒）。 g, 双脉冲易化指数作为正（+1 V，红色）和负（-1 V，蓝色）脉冲幅值的脉冲间隔（ΔT）的函数。虚线代表双指数衰减函数拟合。插图显示了由两个间隔ΔT = 20 ms的连续突触前脉冲触发的双脉冲易化响应。 h, 器件对从0000到1111的时间序列编码的响应（1: 1 V, 100 ms; 0: 0 V, 100 ms）。 i, t-SNE结果中距离的统计分析。
基于这些特性，研究人员构建了一个完整的储层计算网络（图3a）。HIRE器件的短时记忆特性可由两相指数模型精确描述，其测量输出与基于器件模型的仿真结果高度吻合（图3b）。在Mackey-Glass混沌时间序列预测任务中，系统实现了约0.137的均方根误差（图3c，d）。更重要的是，通过仿真验证，该系统在包括口语数字、手势、抓力、手写数字、卵巢癌识别、鸢尾花分类、新冠肺炎检测、心电图诊断及人体动作识别等九项基准任务中，识别准确率均超过90%（图3e）。
图3 | 基于HIRE的储层计算网络架构与仿真验证 a, 基于HIRE的储层计算网络示意图。系统利用水凝胶中的离子迁移过程获得储层状态，并通过忆阻器交叉阵列进行线性回归运算得到最终输出。Win和Min分别是输入权重和输入掩码。 b, HIRE器件的实测电压输出与基于器件模型的仿真结果。 c, Mackey-Glass时间序列的预测结果。粉色线代表待估计的真实数据，黑色虚线代表基于器件模型的预测输出。 d, 预测结果的二维显示。X和Y是n的函数。 e, 使用标准数据集对九种不同智能任务的分类准确率。MIT-BIH，麻省理工学院-贝斯以色列医院心律失常数据库；TI46NIST，德州仪器46词语音语料库；Iris，费雪鸢尾花数据集；Ovarian，卵巢癌数据集；PutEMG和PutEMG-force，波兹南科技大学的表面肌电信号数据集；MNIST，国家标准与技术研究所手写数字修改数据库；COVID-19，COVID-19放射学数据库；UTD-MHAD，德克萨斯大学达拉斯分校多模态人体动作数据集。数据以均值±标准差表示，n=10（10折交叉验证）。
HIRE系统最引人注目的特性是其超凡的智能恢复与容错能力。受章鱼等生物神经系统再生修复能力的启发（图4a），研究人员量化了器件在切割-愈合周期中的电学恢复动力学（图4b）。当器件被完全切断时，输出信号瞬间中断并变为噪声；而一旦将断裂面重新接触，输出信号在约0.02秒内即恢复到原始水平，且后续衰减曲线与完好器件完全一致，证实了功能得到了准确且完全的恢复。这种功能恢复不依赖于缓慢的聚合物链扩散（结构愈合），而源于静电场的瞬时重建，其速度比现有自修复系统快数个数量级。对器件在六种不同物理状态下的记忆容量（短时记忆、奇偶校验、XOR）进行统计分析，未发现统计学显著差异（图4c），证明其在结构愈合过程中仍能保持时间信息处理能力。在实际语音识别任务中，当器件切断后，系统识别率降至25%；而在断裂面重新接触的瞬间（-0.02秒），识别准确率即可达到95%；经过540秒结构基本愈合后，准确率仍保持在90%（图4d-f），且整个过程均使用原始的输出权重矩阵，无需重新训练（图4g）。
图4 | HIRE系统中智能任务的恢复 a, 章鱼通过再生或治疗实现智能康复的示意图，两者都能导致认知恢复。 b, 切割和功能愈合过程中的电学测量。插图展示了HIRE器件的一个切割-愈合循环。 c, 不同计算任务（包括奇偶校验、短时记忆和异或运算）在六种不同物理状态下记忆容量的统计比较。数据以均值±标准差表示。样本量n=5代表在同一个器件上进行的五次独立测量。 d, 愈合过程不同时间点的语音识别任务计算性能。语音标签“down”、“up”、“cancel”和“confirm”分别用*1-*4表示。 e, 断裂的SHH表面重新接触后立即执行任务的语音识别结果（混淆矩阵），识别准确率达到95.0%。 f, 经过540秒充分结构愈合后的语音识别结果（混淆矩阵），识别准确率达到90.0%。 g, HIRE与现有神经形态器件及生物体在神经/神经形态愈合和结构愈合所需时间上的比较。编号1-7分别对应人类、蝾螈、斑马鱼、海鞘、果蝇和水螅、涡虫和海星。数据以均值±标准差表示，根据文献45-50中报道的参数上下限计算得出。
为验证其生物医学应用潜力，研究团队将HIRE器件植入大鼠体内，用于闭环神经刺激控制（图5a）。该系统整合了外部语音指令与内部生理监测，以局部肌肉pH值作为疲劳程度的指标（pH 7.4为休息良好，7.2为适度运动，7.0为疲劳）。HIRE器件展现出pH敏感的离子动力学特性，能同时进行语音指令识别和疲劳状态检测。植入器件被放置在小鼠腿部肌肉附近（图5b），语音指令处理后用于刺激小鼠坐骨神经，产生不同角度的腿部运动。测试结果显示，系统能高精度（92.86%）地识别不同pH环境下的语音指令（图5c）。在闭环控制模式下（图5d），当检测到pH降至7.2，系统自动将刺激幅度从5V降至4V，减缓腿部运动强度和pH下降速度；当pH进一步降至7.0，系统将刺激降至3V，使腿部运动角度（5.4±3.4°）接近静息状态（3.2±1.5°）（图5e），有效防止了因持续高强度运动可能导致的酸中毒。生物安全性评估也证实了HIRE器件在植入期间的生物相容性。
图5 | 基于HIRE的神经形态假体 a, 基于HIRE的神经形态假体示意图。 b, 植入小鼠腿部肌肉附近的HIRE器件照片。语音指令被小鼠腿部的器件处理，识别结果通过印刷电路板传输，产生相应的刺激信号刺激小鼠坐骨神经，引起不同角度的腿部运动。 c, 识别结果的混淆矩阵，标签L1、L2和L3分别对应pH环境7.4、7.2和7.0。 d, 开环和闭环控制下小鼠腿部肌肉表面的pH变化趋势。阴影区域表示闭环操作期间不同的指令状态：Run1（紫色）、Run2（黄色）和Run3（红色），分别对应5V、4V和3V的刺激幅值。水平虚线表示用于生理状态分类的pH阈值，蓝色虚线为pH 7.2，红色虚线为pH 7.0。 e, 对应开环和闭环指令的小鼠腿部运动角度的统计分析。数据以均值±标准差表示。每个指令下测量五次。
总而言之，这项研究报道了一种基于自愈合水凝胶忆容器的离子电子储层计算器件，它展现了卓越的物理与功能鲁棒性，并能实现神经假体中的自适应闭环神经刺激控制。该平台将从材料、器件到计算层面推动植入式设备和神经替代物的鲁棒性与功能性发展。在材料层面，PAA/PEI水凝胶结合了机械鲁棒性与生物相容性，其丰富的离子动力学为神经形态计算提供了潜力。在器件层面，基于三端平面忆容器的设计将关键功能层限制在纳米尺度，使得断裂后仅需重新接触表面即可快速恢复功能，无需复杂校准，适用于机械恶劣环境。在计算层面，HIRE系统能容忍因切割愈合带来的参数数值变化，其高鲁棒性使得神经形态计算得以即刻恢复，无需重新训练或调整输出权重矩阵，极大地提高了恢复的时间效率。这项工作标志着向下一代神经替代物迈出了重要一步，为神经形态工程和生物医学创新中的关键挑战提供了解决方案。
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