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長期以來，使用人工流體系統再現基于離子通道的神經功能，一直是神經形態計算和生物醫學應用的理想目標。

在此，中國科學院化學研究所毛蘭群研究員和于萍研究員使用聚電解質限域的流體憶阻器（PFM）成功地實現了神經形態功能，其中限域聚電解質-離子相互作用有助于滯后離子傳輸，從而產生離子記憶效應。同時，PFM模擬了各種電脈沖模式，能耗超低。

此外，PFM的流體特性能夠模擬化學調節的電脈沖，更重要的是化學電信號傳導是通過單個PFM實現。憑借其與離子通道的結構相似性，PFM用途廣泛，易于與生物系統兼容，通過引入豐富的化學設計，為構建具有先進功能的神經形態裝置鋪平了道路。

相關論文以“Neuromorphic functions with a polyelectrolyte-confined fluidic memristor”為題發表在Science。

隨著科技的發展，人們對類人腦結構產生了極大的興趣，并可能導致下一代具有神經形態的設備開發。到目前為止，已經實現了具有不同模式的神經形態功能，并以各種方式納入應用，其主要是固態電阻可切換器件，包括兩端憶阻器和三端晶體管。然而，迄今為止實現的大多數神經形態功能都是基于使用固態器件模擬電脈沖模式。

生物突觸的類似物，特別是在基于溶液的環境中模擬化學突觸，對于這些固態器件來說仍然非常具有挑戰性。

在這方面，基于流體的憶阻器有希望在水環境中實現神經形態功能，其與生物系統具有優越的相容性，并且通過引入不同的化學物質賦予神經形態裝置大量功能。先前的嘗試表明，具有高級功能的基于離子的微流體或納流體器件可以通過將電解質限制在微通道或納米通道中來實現，且這些受限系統具有憶阻性。

此外，通過引入離子液體-電解質界面，納米通道獲得了長期可塑性，但在水性介質中實現神經形態功能仍然是一個長期存在的挑戰，最主要原因在于：水環境中的強屏蔽作用極大地阻礙了離子間相互作用，從而限制了基于流體的系統中記憶的形成。

圖1. PFM的電導率變化

在本文中，作者報告了一種聚電解質限域流體憶阻器（PFM），它可以成功地完成各種神經形態功能，不僅可以模擬電脈沖模式，還可以模擬化學電信號轉導。

受生物離子通道的啟發，生物離子通道通過空間約束和分子識別控制離子通量來充當天然憶阻器（圖1A），本文設計并制造了聚咪唑刷（PimB）-限域流體通道（圖1B），原因在于聚咪唑具有高電荷密度，豐富的化學性質以及識別不同陰離子的多功能能力。

通常，PimB通過表面引發的原子轉移自由基聚合生長到玻璃微量或納米移液器的內壁上。因此，流體被PimBs限制，其中在電場或化學物質的刺激下，PimBs內部和外部之間陰離子濃度平衡和電荷平衡的建立將滯后，從而產生離子記憶。

圖2. PFM的短期可塑性（STP）電脈沖

圖3. 化學調節STP電脈沖

基于流體的離子再分布動力學可以賦予PFMs難以實現的神經形態功能多功能性，從而為神經形態功能引入特定的化學調節途徑提供了機會。更令人印象深刻的是，化學電信號轉導的仿真可以用這個設備完成。

與基于其他機制的神經形態裝置相比，本文基于流體的裝置不僅具有與生物系統相當的性能，而且還具有更先進的神經形態功能，尤其是化學相關功能。

圖4. PFM的化學電信號轉導

此外，盡管所介紹的PFM具有一系列優勢，包括神經形態功能的多樣性，多個離子載體的調節和共存的可能性以及與生物系統的便捷接口，但在實現PFM更廣泛的應用的道路上仍然存在巨大挑戰。

例如，實現長期塑性是基于流體的系統的一個關鍵目標，其中引入更強（甚至不可逆）的界面識別相互作用可能有助于延長離子記憶。用于內存計算的流體憶阻器的放大是另一個挑戰，多孔微或納流體陣列可能提供解決方案。

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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