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长期以来，使用人工流体系统再现基于离子通道的神经功能，一直是神经形态计算和生物医学应用的理想目标。

在此，中国科学院化学研究所毛兰群研究员和于萍研究员使用聚电解质限域的流体忆阻器（PFM）成功地实现了神经形态功能，其中限域聚电解质-离子相互作用有助于滞后离子传输，从而产生离子记忆效应。同时，PFM模拟了各种电脉冲模式，能耗超低。

此外，PFM的流体特性能够模拟化学调节的电脉冲，更重要的是化学电信号传导是通过单个PFM实现。凭借其与离子通道的结构相似性，PFM用途广泛，易于与生物系统兼容，通过引入丰富的化学设计，为构建具有先进功能的神经形态装置铺平了道路。

相关论文以“Neuromorphic functions with a polyelectrolyte-confined fluidic memristor”为题发表在Science。

随着科技的发展，人们对类人脑结构产生了极大的兴趣，并可能导致下一代具有神经形态的设备开发。到目前为止，已经实现了具有不同模式的神经形态功能，并以各种方式纳入应用，其主要是固态电阻可切换器件，包括两端忆阻器和三端晶体管。然而，迄今为止实现的大多数神经形态功能都是基于使用固态器件模拟电脉冲模式。

生物突触的类似物，特别是在基于溶液的环境中模拟化学突触，对于这些固态器件来说仍然非常具有挑战性。

在这方面，基于流体的忆阻器有希望在水环境中实现神经形态功能，其与生物系统具有优越的相容性，并且通过引入不同的化学物质赋予神经形态装置大量功能。先前的尝试表明，具有高级功能的基于离子的微流体或纳流体器件可以通过将电解质限制在微通道或纳米通道中来实现，且这些受限系统具有忆阻性。

此外，通过引入离子液体-电解质界面，纳米通道获得了长期可塑性，但在水性介质中实现神经形态功能仍然是一个长期存在的挑战，最主要原因在于：水环境中的强屏蔽作用极大地阻碍了离子间相互作用，从而限制了基于流体的系统中记忆的形成。

图1. PFM的电导率变化

在本文中，作者报告了一种聚电解质限域流体忆阻器（PFM），它可以成功地完成各种神经形态功能，不仅可以模拟电脉冲模式，还可以模拟化学电信号转导。

受生物离子通道的启发，生物离子通道通过空间约束和分子识别控制离子通量来充当天然忆阻器（图1A），本文设计并制造了聚咪唑刷（PimB）-限域流体通道（图1B），原因在于聚咪唑具有高电荷密度，丰富的化学性质以及识别不同阴离子的多功能能力。

通常，PimB通过表面引发的原子转移自由基聚合生长到玻璃微量或纳米移液器的内壁上。因此，流体被PimBs限制，其中在电场或化学物质的刺激下，PimBs内部和外部之间阴离子浓度平衡和电荷平衡的建立将滞后，从而产生离子记忆。

图2. PFM的短期可塑性（STP）电脉冲

图3. 化学调节STP电脉冲

基于流体的离子再分布动力学可以赋予PFMs难以实现的神经形态功能多功能性，从而为神经形态功能引入特定的化学调节途径提供了机会。更令人印象深刻的是，化学电信号转导的仿真可以用这个设备完成。

与基于其他机制的神经形态装置相比，本文基于流体的装置不仅具有与生物系统相当的性能，而且还具有更先进的神经形态功能，尤其是化学相关功能。

图4. PFM的化学电信号转导

此外，尽管所介绍的PFM具有一系列优势，包括神经形态功能的多样性，多个离子载体的调节和共存的可能性以及与生物系统的便捷接口，但在实现PFM更广泛的应用的道路上仍然存在巨大挑战。

例如，实现长期塑性是基于流体的系统的一个关键目标，其中引入更强（甚至不可逆）的界面识别相互作用可能有助于延长离子记忆。用于内存计算的流体忆阻器的放大是另一个挑战，多孔微或纳流体阵列可能提供解决方案。

Tianyi Xiong, Changwei Li, Xiulan He, Boyang Xie, Jianwei Zong, Yanan Jiang, Wenjie Ma,Fei Wu, Junjie Fei, Ping Yu*, Lanqun Mao*, Neuromorphic functions with a polyelectrolyte-confined fluidic memristor, 2023, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9150

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