勇于冒险 甘于艰苦 乐于和谐

       生物神经网络以离子为信息载体，通过动态调控离子传输实现高效、低功耗的信息处理，这一机制为突破传统电子器件的局限提供了全新思路。传统神经形态器件依赖电子传输，存在调控多样性不足、能耗高、生物兼容性差等问题，且难以模拟生物系统的复杂连接性（如突触外耦合效应）。离子神经形态器件通过模拟生物离子传输机制，为构建类脑智能系统开辟了新路径。近期，南方科技大学肖凯团队在这一领域取得了系列进展，相关成果分别发表在《Advanced Materials》、《Advanced Functional Materials》和《ACS Nano》。   1.基于离子限域传输的仿生视网膜        在这项研究中，我们成功开发了具有抑制与兴奋功能的人工突触并构建了一种离子基仿生视网膜。该研究通过精细调控离子水凝胶的结构来限制离子传输，使得人工突触器件仅在光输入的情况下，实现了对光信号的正、负调控。其中，器件结构设计巧妙：稀疏的水凝胶底层形成抑制性突触，有效削弱噪声信号；而较致密的底层水凝胶层则形成兴奋性突触，用于增强信号。通过设计并集成抑制型与兴奋型器件，该仿生视网膜展现出多样的视觉处理能力，如边缘检测、噪声抑制和运动分析等。此外，这些器件还能支持机器人车辆的路径规划，实现更智能的视觉感知。本研究通过精确调控离子传输，为仿生视网膜的构建提供了一种创新方案，使其在功能上更接近于生物视网膜，进一步推动了神经形态视觉系统的发展。该研究以题为“Bio-Inspired Retina by Regulating Ion-Confined Transport in Hydrogels”的论文发表在最新一期《Advanced Materials》上。肖凯副教授（南方科技大学），王瑞兵教授（澳门大学），刘泉影助理教授（南方科技大学）和王力博士（已于今年2月份入职南京工业大学）共同担任通讯作者，澳门大学和南方科技大学联培的博士生张红杰为论文第一作者，南方科技大学硕士研究生王淞为共同第一作者。原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202500809   2.用于自供电触觉-视觉融合感知的仿生离子水凝胶突触        在这项工作中，我们提出了一种无缝集成了多模态传感和突触特性的离子水凝胶器件，为自供电的触觉-视觉融合感知创造了一个简化的架构。该研究通过双层不对称水凝胶中的压电离子和离子热扩散效应精确控制离子传输，实现了自驱动多模态传感。其中离子弛豫效应是由阴离子和阳离子之间的不同迁移率引起的，成功了模拟包括短期和长期可塑性在内的突触特性。因此，仅此设备就构成了一个自供电的触觉视觉感知融合系统，其信号通路类似于皮肤和视网膜的信号通路，能够赋予机械臂智能抓取能力和类似于人类避险的反射行为。这项工作突破了传统多模态系统依赖分立元件和外部供能的局限，为开发面向类人机器人感知系统与智能人机交互界面的神经形态器件提供了新范式。该研究以题为“A biomimetic ionic hydrogel synapse for self-powered tactile-visual fusion perception”的论文发表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。本论文以南方科技大学为第一单位，肖凯副教授、张明明副教授、王力博士后（已于今年2月份入职南京工业大学）为共同通讯作者，硕士研究生吴婕为论文第一作者。原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202500048   3.超低功耗离子凝胶纳米纤维人工突触中的突触外耦合效应与工作记忆增强        在这项工作中，我们提出了一种基于双层异质离子凝胶纳米纤维网络的仿生突触器件，借助其充放电过程中离子电势弛豫行为模仿突触的脉冲放电功能，实现了离子神经形态器件阵列化构筑，并用于低能耗类脑计算。该结构通过选择性离子捕获与非对称迁移机制，复现生物突触可塑性，能耗仅为6 fJ，与生物突触能效相当。基于离子短期记忆与非线性构建的储备池计算系统，在MNIST手写数字识别中实现了88%的准确率，展现了离子在边缘计算的高效性。更重要的是，利用离子独有的全局共享特性，在器件阵列上验证了类似生物神经元的突触外耦合效应，在n-back工作记忆任务中达成94%以上的类脑级精度，为构建高能效、高复杂度的类脑智能系统开辟了新路径。该研究以题为“Ephaptic Coupling in Ultralow-Power Ion-Gel Nanofiber Artificial Synapses for Enhanced Working Memory”的论文发表在最新一期《Advanced Materials》上。本论文以南方科技大学为第一单位，肖凯副教授、刘泉影助理教授、王力博士后（已于今年2月份入职南京工业大学）为共同通讯作者，硕士研究生陈远夏为论文第一作者。原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202419013   4.纳米流体易失型阈值转变离子忆阻器：展望        易失型阈值转变忆阻器和泄露积分发放是模仿大脑脉冲发放的经典模型。相较于已存在的三种电子易失型阈值转变忆阻器，目前尚未有被实验实现的纳米流体易失型阈值转变离子忆阻器。考虑到其低功耗、作为信号和物质载体的双重作用、离子/分子多样性、生物相容性等特点，纳米流体易失型阈值转变离子忆阻器具有巨大潜力并亟待实验上的证明。同时，在与生物体系交互过程中，离子器件由于其独特的载流子和工作环境，可以在生物环境和非生物环境之间建立高生物相容性和高可靠性的界面以实现准确高效的双向信息传输，该特性可以补充传统电子器件由于其刚性、不可形变和平面结构的特点在生物交互上的不足。基于此，我们提出了三种可能实现纳米流体易失型阈值转变离子忆阻器的策略，并希望进一步实现纳米流体离子器件电路的搭建。该展望以题为“Nanofluidic Volatile Threshold Switching Ionic Memristor: A Perspective”的论文发表在最新一期《ACS Nano》上。本论文以南方科技大学为第一单位，肖凯副教授为通讯作者，科研助理张米良为论文第一作者，徐国恒博士后为共同第一作者。原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c17760   文字：张红杰、吴婕、陈远夏、张米良     课题组介绍：        肖凯副教授课题组长期招聘研究助理教授、博士后、科研助理和交流学生。课题组自2021年9月成立，围绕“神经仿生材料”“类脑计算器件”“神经调控技术”开展多学科交叉研究。课题组成员以南科大为第一单位在Nat. Commun., Sci. Adv., Adv. Mater., Angew等杂志发表多篇文章，课题组多位博士后成员获批国自然青年基金、博士后海外引才专项基金等。具体信息见课题组网站：http://www.xiaokai-group.cn/         招聘科研背景要求：1. 材料化学：具有电化学、无机纳米材料制备、离子导电聚合物、凝胶材料、胶体界面化学等研究背景者优先。2. 器件制备：具有生物电子/柔性电子器件、微纳电子器件、微纳流体器件、神经拟态器件、可穿戴器件、智能传感器件、清洁能源器件等研究背景者优先。3. 生物信号调控及神经计算：具有神经工程、细胞/生物电生理调控、神经计算等研究背景者优先。有意者直接和肖凯老师联系：xiaok3@sustech.edu.cn

       为加强实验室安全管理，生医工系主任蒋兴宇教授于11月1日对课题组实验室和办公室开展安全检查，重点对实验室电气使用、化学试剂存放及作业环境进行了隐患排查。        实验室电气插线板的安全使用是电气安全隐患重点关注对象，蒋老师对组里插线板进行了全面检查，严厉禁止插线板置于地面、插线板串接、插线板功率过载，并指定学生对插座连接口松脱现象进行了全面排查和整改，杜绝安全隐患。        化学试剂存放管理是化学品全流程管理的重点，蒋主任对课题组化学品存放进行了全面检查。点对点要求学生做好化学品存放整改，不要将玻璃瓶装试剂放置在实验台架上，防止玻璃瓶掉落。同时要求各位同学对自配试剂做好标签，管制类化学品存放于管制品柜中并上锁管理。        其他隐患排查还覆盖特种设备安全、激光使用安全、病原微生物实验室管理、动物实验安全管理、实验室照明等。本次检查覆盖面广，检查内容全面，整改要求及时到位，对组内实验室办公室安全起到较大的督促警示作用。     采写：邓丹丹

       近日，南方科技大学生物医学工程系肖凯课题组在学术期刊Nature Communications上发表了题为“A nanofluidic chemoelectrical generator with enhanced energy harvesting by ion-electron Coulomb drag”的文章。生物系统通常依靠离子或者分子进行信息传输以及能量的交换和存储，而当前的信息技术依赖于电子的传输。虽然后者响应速度快，传输效率高，但磁场、高温和高湿等极端工作环境严重限制了电子器件的使用环境；与此同时，集成电路正在接近基于冯·诺依曼计算架构的摩尔定律的极限。近年来，受到生物系统的启发，基于离子-电子的耦合器件表现出优异的适应性、机械柔韧性和类生物特性，使它们成为先进智能电子设备和生物智能之间沟通的潜在桥梁。        离子-电子耦合通常发生在液体和固体界面之间。通常，耦合过程可以分为三种基本类型：双电层 （electric double layer，EDL） 电容过程；电化学氧化还原反应过程，以及赝电容过程。不同于上述被广泛研究和应用的离子-电子耦合过程，本文提出 “离子-电子”库伦拖拽效应，可实现离子电流和电子电流的直接交互和转换。库伦拖拽效应是指两个空间相近但彼此绝缘的导电层构成了电双层结构，在其中一层施加驱动电流会在另一层诱导产生开路电压，即产生层间拖拽效应。“离子-电子”库伦拖拽效应基于纳米流体内离子传输和半导体中电子传输的互相作用，进而实现离子-电子的耦合过程。具体来说，在纳米尺度下的离子移动行为可以诱导半导体中的自由电子移动，基于这一机制，本工作开发了一种纳米流体化学发电机。如图1所示，碳纳米管膜内的纳米离子流体由金属和氧气之间的自发氧化还原反应驱动。由于纳米离子流体中离子和空穴之间巨大的质量差距（105 to 106），基于动量守恒定律，大量的自由电子在碳纳米管膜中产生，进而实现了1.2 mA/cm2的放大电流。与此同时，单个纳米流体化学发电机单元可以产生~0.8 V的电压，并具有高达数十伏的线性可扩展性能。 图1. NCEG原理图及电输出特性：(a) NCEG的结构示意图：一个高度排列的多孔CNTM夹在一对金属电极之间，这对金属电极分别是金箔和含有铝衬底的导电碳带；(b) CNTM的形貌以及衬底AAO膜的XPS表征；(c)离子沿CNTM运动与CNTM中的自由电子被拖拽的离子库仑拖拽效应示意图；(d) NCEG在0.1 M NaCl电解液中产生的开路电压和短路电流密度。          众所周知，智能生物是基于离子定向流动（细胞上蛋白质通道控制离子输运）形成的电势信号（动作电位）进行信号的传递和信息的交互；和智能生物不同，固态电子器件是基于电势驱动的电子流动尽心信号的传输，如何构筑离子-电子信号交互体系进而实现生物-器件（脑-机）无障碍交互是未来人机交互愿景中最基本的科学问题。本工作报道的基于库伦拖拽效应的离子-电子耦合过程可实现“离子电流-电子电流”直接交互，有望搭建起电子信息和生物信息交流的新型高速通道。        南方科技大学为本论文第一单位，温州大学联合培养硕士生蒋义沙为论文第一作者，南科大生物医学工程系2022级博士生刘文超为论文共同第一作者，南科大王涛博士、云南大学王毓德教授、温州大学刘楠楠教授和南方科技大学副教授肖凯为论文通讯作者。本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点实验室项目和深圳市科技创新委员会的支持。        原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52892-4          肖凯教授课题组（“神经仿生材料与器件”实验室）长期招聘博士后、科研助理和交流学生。课题组主要围绕“神经仿生材料、类脑计算器件、神经调控技术”开展化学、材料、电子、生物等多学科交叉研究，自2021年成立以来，课题组自主培养的学生以南科大为第一单位在Nat. Commun., Sci. Adv., Angew. Chem.,等杂志发表文章20余篇，课题组多位成员获批国自然面上项目（2项）、青年基金项目（3项）、博士后海外引才专项基金等。详细信息见课题组网站：http://www.xiaokai-group.cn/。