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
广东省深圳市南山区
学苑大道1088号
bme@sustech.edu.cn
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