The Innovation | 流体忆阻器架起化学与神经形态器件的桥梁

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基于忆阻器的神经形态器件为类脑计算、脑机交互等领域带来了全新的机遇。其中流体忆阻器的出现使得高效读取和调控脑内复杂化学信号成为可能。本文以流体忆阻器的特性为出发点，聚焦如何利用化学设计实现器件制备和如何实现化学信号相关应用的两个核心方向，系统讨论了化学与神经形态器件学科交叉所带来的机遇和挑战。

图1 流体忆阻器：架起化学与神经形态器件的桥梁

神经形态器件是一类具有类似神经元阻变行为的器件，其在人工智能、脑机交互等领域具有广阔的应用前景。其中，基于忆阻器这一类两端口的仿神经器件被广泛研究，并应用于存算一体的类脑计算、神经义肢等领域。然而，目前这些器件的功能和性能难以与真实神经元相媲美，如何利用神经形态器件模拟神经元对神经递质等化学信号的处理仍然面临巨大挑战。

近年来，基于限域孔道的流体忆阻器应运而生，为实现神经形态器件的化学响应带来了全新的机遇。受生物离子通道的工作机制启发，中国科学院化学研究所于萍团队设计了一种聚电解质限域流体忆阻器，利用限域空间中聚电解质与离子的相互作用，巧妙地调控了离子传输行为，从而实现了神经形态功能的模拟。和传统固态器件不同，该类器件不仅能实现短时程可塑性等突触可塑性功能的模拟，更能够实现突触可塑性的化学调控、化学信号-电信号转导模拟等化学信号相关功能。

流体忆阻器以溶液中阴阳离子为载流子，溶液中多种离子共存并自由移动，因而离子电流本身携带着丰富的化学信息，这为实现高效并行计算提供了重要保障。此外，阴阳离子本身丰富的化学性质为利用化学相互作用调控神经形态器件提供了更多的选择，可使得神经形态器件的应用范围进一步拓展。阴阳离子本身也是生命体信息传递的重要载流子，流体忆阻器的出现为人工器件和真实神经元之间的交互沟通提供了巨大的便利。

流体忆阻器这些独特的特点，为化学和神经形态器件的深度交叉融合带来了全新的机遇。化学合成策略为空间限域环境的制备提供了有力工具，二维材料、纳米管、凝胶等新材料为流体忆阻器的多功能性提供无限可能；限域孔道功能化修饰可为流体忆阻器赋予化学调控功能，实现神经形态功能的生理活性物种调控；化学自组装等策略构建限域孔道阵列，利用表面相互作用同时处理大量复杂化学信息，有望实现神经元复杂功能的模拟。

另一方面，流体忆阻器的提出也有望发展化学信息相关的神经形态功能。这为基于离子传输行为的传感引入了智能化要素，有望进一步推动基于类脑机制的新型智能传感的发展。以阴阳离子作为载流子的流体忆阻器，提供了丰富的载流子种类和化学可调控性，为实现基于多种离子的并行计算提供可能。流体忆阻器的化学响应性也为发展化学信号响应的脑机交互迈出了关键的一步。

总结与展望

通过调控溶液中阴阳离子的传输行为，流体忆阻器催生了化学与仿神经器件的交叉融合。通过合理的化学设计不仅可实现新一代流体忆阻器的构建，还为化学信号响应的神经形态器件的发展带来机遇，为传感、计算、脑机交互等领域提供无限可能。然而，长时程可塑性实现、器件功耗问题、流体器件稳定性、器件开关比、大规模集成策略以及器件化等一系列问题仍然是这一领域面临的重要挑战，这些问题的解决需要化学、电子学、物理学等多个领域学者的共同努力。

责任编辑

贺杨堃   北京航空航天大学

张代晖   中国林业科学研究院林化所

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00063-2

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第四卷第三期以Commentary发表的“Fluidic memristor: bringing chemistry to neuromorphic devices” (投稿: 2023-02-22；接收: 2023-04-24；在线刊出: 2023-04-27)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100435

引用格式：Xiong T., Li W., Xu P., et al. (2023). Fluidic memristor: bringing chemistry to neuromorphic devices. The Innovation. 4(3),100435.

作者简介

于 萍，中国科学院化学研究所活体分析化学院重点实验室研究员，中国科学院大学岗位教授，博士生导师。多年来一直致力于离子传输和神经科学的交叉研究。获国家杰青，北京市杰青，基金委优青等项目资助。2011年作为首批会员入选“中科院青年创新促进会”，曾获得国家自然科学二等奖、北京市科学技术一等奖、中国分析测试协会一等奖、中科院卢嘉锡青年人才奖及中国科学院王宽诚“优秀女科学家”专项奖等奖项。任Anal. Chem.、ACS Sens.、Talanta、The Innovation、Biosensors、化学通报、分析化学等期刊编委。

Web：http://yuping.iccas.ac.cn/

毛兰群，教授。1998年在华东师范大学取得博士学位；1998年9月至2002年10月，先后在日本生物分析公司工作和东京工业大学从事博士后研究；2002年10月至2021年1月，在中国科学院化学研究所工作，任研究员；2021年1月起，在北京师范大学化学学院工作。一直致力于脑化学活体测量、调控及功能模拟研究。曾获国家杰出青年科学基金资助、入选国家“万人计划”科技创新领军人才，曾主持完成基金委创新群体和重大等项目。在Science、 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem.、Sci. Adv.、Nat. Commun.等期刊发表论文350篇。现任ACS Sensors副主编。以第一完成人，曾获国家自然科学二等奖 (2015年度)、北京市科学技术一等奖(2012年度)。

Web：http://www.chem.bnu.edu.cn/szll/jsdw/fxhxyjs/js/227714.html

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