厦大侯旭教授Science 发表“仿生纳流离子学”前瞻性论文，“脑机”幻想或成真？

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2021年8月6日，国际仿生工程学会会员、厦门大学化学化工学院和物理科学与技术学院的双聘教授侯旭在Science上受邀发表了关于新兴交叉学科—仿生纳流离子学的Perspective文章。论文以“Bioinspired nanofluidic iontronics”为题，重点介绍了近年来纳流离子学的发展历程，提出了仿生科学将成为纳流离子学发展的新趋势，并展望了仿生纳流离子学在人工智能、脑机接口与人机增强等方面的广阔应用前景。人工智能技术的飞速发展带来了计算量的指数级增长，随之产生巨大的能耗问题。因此，对于发展出新一代节能高效的计算机的需求日益凸显。同时，脑科学研究的高速发展，让人们逐渐关注到大脑在运算和记忆过程中的超低能耗的生理过程。实现类似人类大脑这种节能高效的计算架构一直是科研工作者探索追求的目标。由此，通过模仿人类大脑的信号传导和信息存储机制进行全新一代计算机或脑机接口设计与开发的研究已成为应对这个重要科学目标的新趋势。     

对比传统电子计算机与人类大脑，在传统的电子器件中，计算和存储功能是通过元器件内部电子和空穴的移动作为信号载体来实现的。而在生物系统中，信号载体不再是电子，而是具有不同尺寸、形状和化学性质的离子，这种信息载体上的差异带来了电子计算机与人类大脑这两个系统的本质不同。离子学的出现，实现了离子传输与电导性能的有机结合，是一种将电子特性与离子电导率相结合的信号处理工具，将成为电子器件与生物体系之间最具潜力的信号传递与翻译媒介，建立起生物脑与人工脑之间的界面和桥梁。在生物体系中，众多生理过程的发生都源于生物纳米孔道中的离子传输行为。为了进一步探索这些生命过程中的物质传输机理，纳流控—作为研究纳米限域空间中流体行为的新兴学科，逐渐成为科学界关注的前沿热点领域。特别是近些年来，微纳加工制造与微纳尺度的成像与表征技术逐渐成熟，大大加速了纳流控的发展。借助纳流控技术和纳流器件模仿和实现生命活动中的各种离子传输现象也逐渐从想象变为现实，越来越多的纳流离子器件在模仿生物神经系统行为的研究中发挥着重要作用。

图题：纳流离子器件在模仿生物神经系统行为的研究 

值得一提的是在自然生物体中，离子通道具有不同的结构与形状。受此启发，科学家通过实验或理论手段构建出具有各种不同几何形状的纳米限域空间，并研究其中不同的离子传输行为，这些研究推动着纳流离子学的发展。在一维纳米限域空间中，几何形状和内表面电荷分布的不对称设计可以在溶液体系中重现类似二极管的离子整流特性。另外，生物纳米通道都是动态可形变的，受此启发，科学家构建了曲率可调的碳纳米管，用于离子整流的动态实时调控（如下图）。二维纳米材料，例如石墨烯、氮化硼、二硫化钼等的出现，为实验中获得二维平面限域空间提供的可行性途径，极大地激发了纳流离子学的进一步发。与一维纳米流体相比，二维平面限域扩大了离子传输的平移自由度，导致离子之间的相互作用次数增加、相互作用增强、且相互作用形式更加多样，同时离子运动的滞后效应为离子电路带来了潜在的记忆效应，为脑机接口和类脑计算等技术的发展与运用带来了希望。

图题：静态与动态纳流系统的协同设计

脑机接口技术（Brain-computer interface，BCI）一直是科幻小说等文学作品中的热门话题。值得一提的是，近几年由于计算机、脑科学、仿生科学、柔性电子学和材料科学等领域的迅速发展，BCI技术也逐渐从文学中走入现实，不光光是在科学界，也越来越受到了社会与企业界的积极关注。去年，埃隆·马斯克的Neuralink公司发布的植入式大脑芯片，有望用于通过意识操控手机、电脑等技术设备，再次引起了社会各界对BCI技术的广泛讨论与未来想象（如下图）。

图题：2020年埃隆·马斯克发布新的Neuralink脑机接口芯片

但在现阶段，大脑与计算机的双向沟通远未实现实用化，其中一个主要的原因就是这两个系统采用的是两种不同的信号传导介质。基于离子传导的纳流离子器件不仅具有与神经元兼容的信号，还具有与生理水溶液环境兼容的工作介质，将成为实现大脑与计算机双向连接互通最具潜力的发展方向。目前，全球有不少的顶尖团队都在开展相关的研究，例如法国Lydéric Bocquet教授团队关于纳流在模拟神经动作电位的理论研究；我国江雷院士团队基于量子限域离子超流体的神经信号传输过程的研究；以及肖凯博士、陈晓东教授和Markus Antonietti教授等人在纳流离子界面与传感等方面的前沿研究等（如下图）。由于纳流离子器件与生物体系的信息传递使用相同的“语言”，将打破自然系统与人造系统之间的信息壁垒，成为连通生物脑与人工脑的沟通桥梁。

图题：基于量子限域离子超流体及离子传感系统实现人造机器和生物系统之间的无缝信息传递

与此同时，对于纳流离子系统信号转换与传输机制的研究将进一步深化我们对于同样基于离子传导的神经系统中信息交流机制的理解，这将极大地推动仿生交互式BCI、可穿戴/植入式BCI、仿生神经元计算机接口以及类脑智能的开发，促进人机智能共生、脑-机智能协同，最终实现借助人工智能突破生物智能的局限，发展出兼有生物智能与人工智能优势互补的新型智能形态。

图题：面向未来的新兴仿生纳流离子学所涉及的交叉学科方向

参考内容：

1. Bioinspired nanofluidic iontronics, Science,(2021) 373，628.

2. Dynamic curvature nanochannel-based membrane with anomalous ionic transport behaviors and reversible rectification switch, Adv. Mater., (2019) 31, 1805130.

3. Anomalies of ionic/molecular transport in nano and sub-nano confinement, Nano Lett.,(2020) 20, 6937.

4. https://abcnews.go.com/Health/elon-musk-unveils-brain-chip-implant-fitbit-skull/story?id=72703840

5. Nanofluidics coming of age, Nat. Mater., (2020) 19,254.

6. Bioinformation transformation: From ionics to quantum ionics, Sci. China Mater., (2020) 63, 167.

7. Bioinspired ionic sensory systems: the successor of electronics, Adv. Mater., (2020) 32, 2000218.

8. https://xuhougroup.xmu.edu.cn/

作者简介

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侯旭

国际仿生工程学会青年委员会委员、厦门大学南强特聘教授、国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划纳米科技重点专项项目负责人、固体表面物理化学国家重点实验室青委会会长、厦门大学仿生多尺度孔道课题组组长、闽江科学传播学者等。从事仿生液体门控技术与仿生纳流离子学等研究十余年，出版了两本国际学术著作，并以第一或通讯作者在高水平学术期刊如Nature, Science, Nature Reviews Materials, 《国家科学评论》等上发表论文。2018年，获得中国化学会青年化学奖等；2019年，获得中国胶体与界面化学优秀青年学者奖等；2020年，获得第二届全国创新争先奖等，并受邀参加了中央电视台科教频道《百家讲坛》栏目嘉宾主讲科学公开课。目前，他担任《Chinese Chemical Letters》高级编委、《Advanced Fiber Materials》、《应用化学》和《物理化学学报》青年编委、Cell 旗下《Cell Reports Physical Science》顾问委员会委员、中国化学会仿生材料化学委员会委员等。

原文链接
https://science.sciencemag.org/content/373/6555/628

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