自愈合水凝膠，登上Nature Materials！

研發“離子電子”仿生水凝膠神經假體，實現受損后0.02秒“智力”恢復

隨著神經形態工程學從單純的模仿神經架構發展到與生物組織主動交互，神經假體領域正迎來革命性突破。然而，要將這些技術進步轉化為實用的神經假肢，不僅需要材料動力學能夠模擬神經元行為以完成分類、預測等智能任務，還需具備應對生物信號波動的自適應調節能力。更重要的是，作為神經組織的實際替代品，其在面對不可預測的損傷或故障時，物理與功能的魯棒性與功能替代本身同等關鍵。盡管自修復電子學已能恢復類突觸功能，但其在更高階認知功能修復方面的應用仍然有限。

南京大學?萬昌錦副教授、施毅教授、薛斌副教授、李昀教授和新加坡南洋理工大學陳曉東教授、甬江實驗室萬青教授合作，開發出一種基于水凝膠的離子電子儲層（HIRE），實現了兼具卓越物理與功能魯棒性的神經形態假體。該系統利用水凝膠-電極界面的非線性動力學作為物理儲層預處理時間序列信號，對外界物理損傷的敏感度極低。研究顯示，該HIRE系統在語音識別任務中達到了95%的準確率，并在斷裂面重新接觸后0.02秒內即可恢復此能力，在神經康復過程中遠超生物系統。此外，其pH敏感的動力學特性還能在大鼠模型中實現自適應閉環神經刺激控制，為神經康復和感覺運動功能修復驗證了其巨大潛力。相關論文以“An iontronic reservoir for highly robust neuromorphic prosthesis”為題，發表在

Nature Materials

HIRE器件采用三端平面憶容器結構，以由聚乙烯亞胺（PEI）和聚丙烯酸（PAA）物理交聯而成的自愈合水凝膠（SHH）作為介電層，激光誘導石墨烯（LIG）作為電極（圖1c）。這種設計將離子動力學限制在納米尺度的離子電子界面，使其從根本上抵抗機械干擾。實驗證明，該水凝膠通過PAA和PEI鏈間的靜電相互作用，能在室溫下無需外界刺激即可自主愈合（圖1e）。力學測試顯示，愈合9分鐘后，水凝膠可恢復其初始應變能力的77.8%（圖1f）。T-剝離測試也證實，隨著愈合時間延長，界面粘附力逐漸增強（圖1g）。該器件在按壓、拉伸、切割及愈合后等多種物理狀態下均能保持結構完整和電氣性能（圖1d）。

圖1 | 基于自愈合水凝膠的離子電子儲層計算 a, 水凝膠內納米尺度界面動力學示意圖，描繪了在切割、拉伸和壓縮等機械形變下的緊密層和擴散層。Φ表示跨越緊密層和擴散層的電勢分布。 b, HIRE的示意圖，展示了其利用非線性變換實現神經形態應用中高階認知功能。 c, 離子電子儲層器件架構（左）、外圍電路連接（右下）及器件照片（右上）。比例尺，1厘米。 d, 自愈合水凝膠器件在六種不同狀態下的照片：（i）原始完好器件；（ii）受壓變形下的器件，通過在其表面放置50克砝碼實現；（iii）拉伸變形下的器件，對應其原始長度拉伸20%；（iv）器件剛被切斷并接觸后，代表結構愈合的初始階段；器件先經歷（v）按壓再經歷（vi）拉伸變形后，愈合3分鐘后施加相同的物理條件（按壓為50克砝碼，拉伸為20%伸長率）。比例尺，1厘米。 e, 示意圖說明物理交聯的PAA/PEI水凝膠的切割與愈合機制。下圖顯示熒光成像，展示了愈合過程中離子遷移和裂紋修復。 f, PAA/PEI水凝膠在不同愈合階段的力學拉伸測試。插圖顯示水凝膠被拉伸。 g, 從T-剝離試驗中獲得的代表性力-位移曲線，用于測量結構愈合過程中的粘附強度。插圖顯示了T-剝離過程。

在電學特性方面，HIRE器件展現出典型的憶容行為和非線性動力學（圖2c）。電化學阻抗譜顯示，輸入-輸出（IN-OUT）電極配置的阻抗值約為輸入-地（IN-GND）和地-輸出（GND-OUT）的兩倍（圖2b），為器件的遲滯行為提供了基礎。器件表現出短程可塑性，單個脈沖響應在2秒內衰減98.07%（圖2d），且可通過調節脈沖幅度和寬度調控可塑性（圖2e，f）。通過不同脈沖間隔觀測到的雙脈沖易化現象（圖2g）以及對4位二進制脈沖序列產生的16種不同輸出狀態（圖2h），驗證了其時間編碼能力，t-SNE分析表明儲層能將輸入映射到更高維度的線性可分表示空間（圖2i）。

圖2 | HIRE器件的電學表征 a, 器件工作原理示意圖。 b, 器件中不同電極對之間測得的奈奎斯特圖。 c, 不同電壓掃描范圍下的VOUT-VIN遲滯曲線。 d, 器件對單個200毫秒持續時間、1V幅值的輸入脈沖的響應。插圖說明生物突觸。 e, 作為脈沖持續時間函數的短時記憶特性（±1 V幅值）。 f, 由不同幅度電脈沖觸發的短時記憶特性（脈沖持續時間，TIN = 0.1秒）。 g, 雙脈沖易化指數作為正（+1 V，紅色）和負（-1 V，藍色）脈沖幅值的脈沖間隔（ΔT）的函數。虛線代表雙指數衰減函數擬合。插圖顯示了由兩個間隔ΔT = 20 ms的連續突觸前脈沖觸發的雙脈沖易化響應。 h, 器件對從0000到1111的時間序列編碼的響應（1: 1 V, 100 ms; 0: 0 V, 100 ms）。 i, t-SNE結果中距離的統計分析。

基于這些特性，研究人員構建了一個完整的儲層計算網絡（圖3a）。HIRE器件的短時記憶特性可由兩相指數模型精確描述，其測量輸出與基于器件模型的仿真結果高度吻合（圖3b）。在Mackey-Glass混沌時間序列預測任務中，系統實現了約0.137的均方根誤差（圖3c，d）。更重要的是，通過仿真驗證，該系統在包括口語數字、手勢、抓力、手寫數字、卵巢癌識別、鳶尾花分類、新冠肺炎檢測、心電圖診斷及人體動作識別等九項基準任務中，識別準確率均超過90%（圖3e）。

圖3 | 基于HIRE的儲層計算網絡架構與仿真驗證 a, 基于HIRE的儲層計算網絡示意圖。系統利用水凝膠中的離子遷移過程獲得儲層狀態，并通過憶阻器交叉陣列進行線性回歸運算得到最終輸出。Win和Min分別是輸入權重和輸入掩碼。 b, HIRE器件的實測電壓輸出與基于器件模型的仿真結果。 c, Mackey-Glass時間序列的預測結果。粉色線代表待估計的真實數據，黑色虛線代表基于器件模型的預測輸出。 d, 預測結果的二維顯示。X和Y是n的函數。 e, 使用標準數據集對九種不同智能任務的分類準確率。MIT-BIH，麻省理工學院-貝斯以色列醫院心律失常數據庫；TI46NIST，德州儀器46詞語音語料庫；Iris，費雪鳶尾花數據集；Ovarian，卵巢癌數據集；PutEMG和PutEMG-force，波茲南科技大學的表面肌電信號數據集；MNIST，國家標準與技術研究所手寫數字修改數據庫；COVID-19，COVID-19放射學數據庫；UTD-MHAD，德克薩斯大學達拉斯分校多模態人體動作數據集。數據以均值±標準差表示，n=10（10折交叉驗證）。

HIRE系統最引人注目的特性是其超凡的智能恢復與容錯能力。受章魚等生物神經系統再生修復能力的啟發（圖4a），研究人員量化了器件在切割-愈合周期中的電學恢復動力學（圖4b）。當器件被完全切斷時，輸出信號瞬間中斷并變為噪聲；而一旦將斷裂面重新接觸，輸出信號在約0.02秒內即恢復到原始水平，且后續衰減曲線與完好器件完全一致，證實了功能得到了準確且完全的恢復。這種功能恢復不依賴于緩慢的聚合物鏈擴散（結構愈合），而源于靜電場的瞬時重建，其速度比現有自修復系統快數個數量級。對器件在六種不同物理狀態下的記憶容量（短時記憶、奇偶校驗、XOR）進行統計分析，未發現統計學顯著差異（圖4c），證明其在結構愈合過程中仍能保持時間信息處理能力。在實際語音識別任務中，當器件切斷后，系統識別率降至25%；而在斷裂面重新接觸的瞬間（-0.02秒），識別準確率即可達到95%；經過540秒結構基本愈合后，準確率仍保持在90%（圖4d-f），且整個過程均使用原始的輸出權重矩陣，無需重新訓練（圖4g）。

圖4 | HIRE系統中智能任務的恢復 a, 章魚通過再生或治療實現智能康復的示意圖，兩者都能導致認知恢復。 b, 切割和功能愈合過程中的電學測量。插圖展示了HIRE器件的一個切割-愈合循環。 c, 不同計算任務（包括奇偶校驗、短時記憶和異或運算）在六種不同物理狀態下記憶容量的統計比較。數據以均值±標準差表示。樣本量n=5代表在同一個器件上進行的五次獨立測量。 d, 愈合過程不同時間點的語音識別任務計算性能。語音標簽“down”、“up”、“cancel”和“confirm”分別用*1-*4表示。 e, 斷裂的SHH表面重新接觸后立即執行任務的語音識別結果（混淆矩陣），識別準確率達到95.0%。 f, 經過540秒充分結構愈合后的語音識別結果（混淆矩陣），識別準確率達到90.0%。 g, HIRE與現有神經形態器件及生物體在神經/神經形態愈合和結構愈合所需時間上的比較。編號1-7分別對應人類、蠑螈、斑馬魚、海鞘、果蠅和水螅、渦蟲和海星。數據以均值±標準差表示，根據文獻45-50中報道的參數上下限計算得出。

為驗證其生物醫學應用潛力，研究團隊將HIRE器件植入大鼠體內，用于閉環神經刺激控制（圖5a）。該系統整合了外部語音指令與內部生理監測，以局部肌肉pH值作為疲勞程度的指標（pH 7.4為休息良好，7.2為適度運動，7.0為疲勞）。HIRE器件展現出pH敏感的離子動力學特性，能同時進行語音指令識別和疲勞狀態檢測。植入器件被放置在小鼠腿部肌肉附近（圖5b），語音指令處理后用于刺激小鼠坐骨神經，產生不同角度的腿部運動。測試結果顯示，系統能高精度（92.86%）地識別不同pH環境下的語音指令（圖5c）。在閉環控制模式下（圖5d），當檢測到pH降至7.2，系統自動將刺激幅度從5V降至4V，減緩腿部運動強度和pH下降速度；當pH進一步降至7.0，系統將刺激降至3V，使腿部運動角度（5.4±3.4°）接近靜息狀態（3.2±1.5°）（圖5e），有效防止了因持續高強度運動可能導致的酸中毒。生物安全性評估也證實了HIRE器件在植入期間的生物相容性。

圖5 | 基于HIRE的神經形態假體 a, 基于HIRE的神經形態假體示意圖。 b, 植入小鼠腿部肌肉附近的HIRE器件照片。語音指令被小鼠腿部的器件處理，識別結果通過印刷電路板傳輸，產生相應的刺激信號刺激小鼠坐骨神經，引起不同角度的腿部運動。 c, 識別結果的混淆矩陣，標簽L1、L2和L3分別對應pH環境7.4、7.2和7.0。 d, 開環和閉環控制下小鼠腿部肌肉表面的pH變化趨勢。陰影區域表示閉環操作期間不同的指令狀態：Run1（紫色）、Run2（黃色）和Run3（紅色），分別對應5V、4V和3V的刺激幅值。水平虛線表示用于生理狀態分類的pH閾值，藍色虛線為pH 7.2，紅色虛線為pH 7.0。 e, 對應開環和閉環指令的小鼠腿部運動角度的統計分析。數據以均值±標準差表示。每個指令下測量五次。

總而言之，這項研究報道了一種基于自愈合水凝膠憶容器的離子電子儲層計算器件，它展現了卓越的物理與功能魯棒性，并能實現神經假體中的自適應閉環神經刺激控制。該平臺將從材料、器件到計算層面推動植入式設備和神經替代物的魯棒性與功能性發展。在材料層面，PAA/PEI水凝膠結合了機械魯棒性與生物相容性，其豐富的離子動力學為神經形態計算提供了潛力。在器件層面，基于三端平面憶容器的設計將關鍵功能層限制在納米尺度，使得斷裂后僅需重新接觸表面即可快速恢復功能，無需復雜校準，適用于機械惡劣環境。在計算層面，HIRE系統能容忍因切割愈合帶來的參數數值變化，其高魯棒性使得神經形態計算得以即刻恢復，無需重新訓練或調整輸出權重矩陣，極大地提高了恢復的時間效率。這項工作標志著向下一代神經替代物邁出了重要一步，為神經形態工程和生物醫學創新中的關鍵挑戰提供了解決方案。