“脑机”幻想或成真？厦大教授Science发表“仿生纳流离子学”前瞻性论文！

脑机接口社区 2022-04-26

在科幻电影《黑客帝国》中，主人公尼奥进化成为了一个人机结合的增强体，当他拥有计算机强大的运算能力，以CPU的速度思考和观察时，他眼中的世界就变成了程序运行时快如闪电的数据变幻。这种借助人机结合来增强人类能力的“黑科技”，正逐渐从科幻走向现实……

人类大脑的超低能耗

引起人工智能科学界的广泛兴趣

对比人工智能发展和计算机运算能力提升所产生的巨大能耗，人类大脑运算和记忆过程中的超低能耗引起科学界的广泛兴趣。由此，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。近年来，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十分重要的科学目标的新趋势与新挑战。

2021年8月6日，我校化学化工学院和物理科学与技术学院的双聘教授侯旭团队在美国《科学》杂志上受邀发表了关于新兴的仿生纳流离子学在未来人工智能、脑机接口技术中具有巨大潜能的Perspective文章。文章以“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、类脑智能与人机增强等跨学科交叉领域的广阔应用前景。

离子学——

连接计算机与人类大脑的沟通桥梁

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，纳流控作为一门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。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。例如，基于二维平面纳流器件，Robin等人成功重现了类似于生物神经元产生的电压尖峰动作电位信号，展现了纳流离子器件在模仿生物神经系统行为中具有巨大潜力（如下图）。

纳流离子器件在模仿生物神经系统行为的研究

仿生纳流离子器件飞速发展

受到离子通道具有不同的结构与形状的启发，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（1D）纳米限域空间中，通过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，二维（2D）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2D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展。

与1D纳米流体相比，2D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新机遇。

仿生一维二维纳流系统

仿生纳流离子学在未来人工智能、脑机

接口、人机增强技术中具有巨大潜能

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。但是现阶段，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。

对于纳流离子系统信号转换与传输机制的基础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，这将极大地推动纳流离子学与交互式BCI、可穿戴/植入式BCI或神经元计算机接口以及类脑智能等的跨学科探索性研究，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。

面向未来的新兴仿生纳流离子学

所涉及的交叉学科方向

参考文献：

1. Y. Hou, and X. Hou, Bioinspired Nanofluidic Iontronics. Science 373, 628 (2021).

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

（点击下方“阅读原文”，查看论文原文）

来源：厦门大学

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