研究进展
针对上述问题，中国科学院苏州纳米所张其冲研究员联合山东大学李阳教授和新加坡南洋理工大学魏磊教授团队在《PNAS》上发表了题为“Bioinspired iontronic synapse fibers for ultralow-power multiplexing neuromorphic sensorimotor textiles”的研究论文。文章报道了一种基于离子载流子的人工突触纤维器件(ISF)，该器件由光响应TiO2、离子存储Co-MoS2和离子传输层组成。离子传输层引入不仅使用与生物类似离子载流子进而实现低能量消耗（单次电压脉冲刺激），而且避免了无机半导体纤维坚固的界面直接接触，有效缓解了短路问题。简单的结构设计就模拟了类生物的短时程突触可塑性和化学/光学信号的转导能力。ISF还可实现维度编织以允许不同的光信号平行传递，模拟了类似轴突的并行信息传输。此外，离子操作机制允许引入多个输入电极进而实现类似树突操作形式的时空信息集成。基于以上特征，进一步构建了一种基于纺织品的多路神经形态感觉运动应用，将突触纤维与人造纤维肌肉连接起来，可以实现类似生物感知运动进程的前神经元感知信息的整合、并行传递和运动神经元信息的输出，以控制纤维肌肉的协调运动（图1）。全纤维架构在可穿戴电子、软机器人和生物医学工程方面具有潜在应用前景。
图1：离电突触纤维及纤维基感知运动应用示意图
图2：离电突触纤维模拟突触信号特征及短时程可塑性
在生物突触中，电信号通过离子流动和突触间隙中神经递质的释放，从突触前末端传播到相应的突触后膜，从而产生突触后信号。首先研究了ISF装置的兴奋性突触行为，ISF显示双向特征，具有由单个突触前脉冲触发的两个连续的反向阶段。ISF突触装置还可以模拟具有可变持续时间、频率、幅度和数量的突触前脉冲，以产生不同类型的电流信号，显示出峰值依赖的可塑性。通过施加0.1 s脉冲持续时间和不同振幅的尖峰来验证突触后电流的有效性，从而导致电流响应随着振幅的增加而增强。在负10 µV的刺激电压下，DPSC和HPSC被激活，能量消耗较低。离子人工突触对峰值振幅的高灵敏度和低能量消耗优于最近报道的人工突触。
神经元在复杂的化学环境中运作，其中离子和分子在所有神经活动中起着基本作用。在ISF器件中，由于其离子载流子特性和可调节的器件架构，化学-电信号转导可以实现。此外，还进一步验证了基于ISF器件中的光驱动离子输运过程。在自然界中，轴突被结缔组织包裹成平行束，形成神经束进行信号传递。每个单独的轴突被髓鞘电隔离，以防止邻近细胞的干扰。我们照此构建了一个由包含多个轴突的单个束组成的合成神经结构，并演示了沿这些轴突中的三个平行信号传输。织物衬底的电绝缘特性保证了合成轴突之间不会发生串扰。通过用不同频率的光脉冲刺激每个轴突，我们可以沿着合成神经内这些平行轴突记录和传输不同的光信号。随着曝光时间的减少(n3>n2>n1)，由于光响应不完全，输出值减少，从而区分来自不同轴突的光信息。另一方面，该器件在输出电流方面表现出不同的输出波形，表明其在随机信号传输方面的潜在应用。这些信号包含时空信息，并与激发光的模式密切相关。在这个过程中，这种合成神经织物完全依靠光刺激实现信号感知传递，因此不需要外部电源。
图4：改进的离电突触纤维进行树突集成和纤维基感知/传输/运动应用展示
在生物系统中，单个树突分支连接到突触后神经元，使两个具有时空相关信息的突触前输入联系起来。引入输入电极后的ISF可以成功模拟两个突触的时空学习规则。根据ISF脉冲刺激强度，两个突触都表现出不同的突触连接，导致突触后电流显著的非线性增加。此外，与通过整合多个突触输入获得的大量增益相比，突触前脉冲持续时间对单个突触的突触后电流增益的影响相对较小。因此，可以通过改变一个或两个突触在不同时间段的增益来执行逻辑运算。为了模拟感知运动行为，将三个改进的ISF设备集成到织物中，以构建能够并行传输多个信息流的多路复用织物系统。ISF的上电极受到来自外界环境的脉冲刺激作为感知信息的刺激，而后电极则通过放大电路与人造纱线肌肉连接，形成基于综合纤维的传出神经元。当施加电刺激时，人造纱线肌肉由于相变而收缩。电刺激解除后，纱线肌恢复到原来的长度。在基于纺织品的多路传感运动控制系统中，不同的ISF可以并行传输各种信息，驱动人造纱线肌肉的收缩，作为其他运动装置的驱动元件，从而实现对各种运动的协调控制。
总结和展望
制备的ISF装置单元可以模拟在水基环境中的短期可塑性，并在厘米尺度距离上传输生物信号。此外，它消耗的能量极低(飞焦耳尺度)，可以复制由化学和光学刺激调节的电脉冲模式。装置结构的优化可以实现不同信号平行传输及类树突信号集成。基于以上特点，结合ISF和人造纱线肌肉展示了前神经元感知信息的整合和运动神经元的协调输出，以控制不同形式的运动。这些有趣的结果有望推进神经形态离子计算领域向前迈出的重要一步，并为基于织物的神经形态感觉运动系统的工程设计提供了有价值的指导。尽管纤维器件基于离子载流子实现了低功耗短时程可塑性，长时程可塑性的实现仍然面临挑战。随着大规模制造技术和封装策略的不断进步和优化，具有增强功能和智能纤维的更复杂的神经形态感觉运动系统将变得可行，从而实现自适应感知、运动辅助和自主反馈等难以察觉的医疗保健应用。
https://doi.org/10.1073/pnas.2407971121
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