生物神經(jīng)系統(tǒng)能夠高效、無縫地集成感知與動(dòng)作，這一能力源于其高度協(xié)同的神經(jīng)結(jié)構(gòu)與信號(hào)處理機(jī)制。然而，在當(dāng)前基于傳統(tǒng)電子架構(gòu)的神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，感知單元與運(yùn)動(dòng)控制單元通常在物理結(jié)構(gòu)和信號(hào)路徑上相互分離，這種割裂使得系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)類似生物的實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)與閉環(huán)適應(yīng)能力。因此，如何在硬件層面實(shí)現(xiàn)感知-動(dòng)作的深度融合，已成為發(fā)展下一代仿生智能系統(tǒng)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

基于此，南開大學(xué)徐文濤教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)了一種專為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算與肌肉驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的柔性裝置。每個(gè)獨(dú)立裝置組件均模擬了神經(jīng)計(jì)算中關(guān)鍵的突觸功能，而整體裝置則響應(yīng)傳出神經(jīng)肌肉指令，模擬肌肉驅(qū)動(dòng)行為。這些特性源于密集排列的親水性納米級(jí)通道，以及高熵、錯(cuò)綜復(fù)雜的銀納米線網(wǎng)絡(luò)，用于捕獲并儲(chǔ)存水合陽離子。利用顯著的形變效應(yīng)，作者展示了危險(xiǎn)檢測(cè)避障機(jī)器人，以及針對(duì)任意編程形狀的多維集成，如360°全景信息捕捉和軟體生物形變，其中對(duì)刺激的局部響應(yīng)被整合以實(shí)現(xiàn)任意協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。這些成果為未來柔性電子與仿生系統(tǒng)的發(fā)展開辟了重要途徑。

該文章以題為“Multidimensional free shape-morphing flexible neuromorphic devices with regulation at arbitrary points"發(fā)表在國(guó)際期刊《Nature Communications》上。

在脊椎動(dòng)物的神經(jīng)肌肉接頭處（圖1a），運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的軸突末端失去髓鞘并膨大形成位于肌纖維溝內(nèi)的膨大末端。突觸后膜有許多褶皺。當(dāng)動(dòng)作電位傳遞到運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的膨大末端時(shí)，突觸小泡將囊泡內(nèi)的乙酰膽堿（Ach）釋放到突觸間隙。Ach與肌膜上的煙堿型受體結(jié)合，激活運(yùn)動(dòng)終板電位，從而引起肌肉收縮。

為了復(fù)制神經(jīng)肌肉接頭（NMJ）的復(fù)雜動(dòng)態(tài)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制造了一種突觸-運(yùn)動(dòng)耦合器裝置（SMCD）（圖1b）。該結(jié)構(gòu)采用單元細(xì)胞概念，將神經(jīng)計(jì)算功能與三維任意表面柔韌性集成于單一裝置中。人工肌肉由離子致動(dòng)器電驅(qū)動(dòng)。通過電化學(xué)沉積制備了銀納米線（Ag-NWs）森林。工作電極使用了多孔氧化鋁模板（孔徑80納米），其一側(cè)涂有金（Au）層。施加電壓時(shí)，溶液中的Ag+離子滲入孔道，并在外部電場(chǎng)作用下還原為Ag金屬，孔道內(nèi)形成Ag-NWs。用堿性溶液清洗后，暴露的Ag-NWs森林坍塌形成混亂的交織結(jié)構(gòu)，為吸附和捕獲H+離子及其他水合陽離子提供了豐富的位點(diǎn)。隨后，將Ag-NWs森林嵌入PVA改性的PFSA離子聚合物中，形成SMCD的功能層。PFSA由疏水性四氟乙烯（TFE）骨架和親水性磺酸側(cè)鏈組成。PVA的羥基可作為氫供體，與PFSA的磺酸基形成氫鍵。PVA-PFSA 的整個(gè)下表面和一半上表面都用一塊Ag電極進(jìn)行化學(xué)鍍（圖1b），以模擬施萬細(xì)胞。為了模擬突觸前膜，點(diǎn)狀A(yù)u電極通過蒸發(fā)沉積在其余的上表面。

突觸權(quán)重的調(diào)節(jié)是神經(jīng)系統(tǒng)信息處理的生物學(xué)基礎(chǔ)。動(dòng)作電位導(dǎo)致突觸后興奮和興奮性突觸后電流（EPSC），該電流在短時(shí)間內(nèi)急劇增加。當(dāng)點(diǎn)狀金電極受到-2V的尖峰刺激時(shí)，SMCD模擬了這一過程。當(dāng)依次施加兩個(gè)相同的尖峰時(shí)，第二個(gè)脈沖后的EPSC顯著高于第一個(gè)脈沖后的EPSC（圖2a）；這種現(xiàn)象模擬了成對(duì)脈沖促進(jìn) (PPF)，這是一種典型的短期突觸行為。其中圖2K的多個(gè)不同尺寸的半球形模具，均是采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch® S130，精度：2μm）3D打印而成。

SMCD中PPF現(xiàn)象的原因在于，短期脈沖能夠驅(qū)動(dòng)PFSA中的水合陽離子沿納米通道向陰極遷移，并在銀納米線森林捕獲層中積累，從而誘導(dǎo)形成雙電層，迅速提高器件沿厚度方向的導(dǎo)電性。在一次脈沖后，初始積累的離子會(huì)逐漸消散回其初始分布狀態(tài)。若在消散完成前施加第二次脈沖，則第二次捕獲的水合陽離子積累將與第一次的剩余部分疊加。PPF可通過PPF指數(shù)=(A2/A1)×100%28進(jìn)行量化。

疼痛被定義為由實(shí)際或感知到的組織損傷引起的一系列不愉快感覺（圖3a）。當(dāng)神經(jīng)末梢受到外部損傷時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生沖動(dòng)，這些沖動(dòng)沿著軸突傳遞至傷害感受器，后者生成興奮信號(hào)，這些信號(hào)被整合并發(fā)送至中樞神經(jīng)系統(tǒng)。生物疼痛感知的模擬對(duì)于神經(jīng)形態(tài)機(jī)器人的發(fā)展具有重要意義。SMCD表現(xiàn)出SRDP和SNDP特性，因此可能適合模擬神經(jīng)元功能，如傷害感受。

痛覺感受器的三個(gè)主要特征是閾值、松弛和敏感化，這些特征可以通過SMCD實(shí)現(xiàn)。結(jié)合SRDP和SNDP刺激器的促進(jìn)作用模擬了一個(gè)過程，在該過程中，痛覺感受器在同一幅度的脈沖下逐漸被激活（圖3b）。通過計(jì)算以脈沖頻率和數(shù)量為函數(shù)的擬合EPSC擬合曲面的60%權(quán)重，確定了427 nA的激活閾值電流。本文中將該閾值定義為激活痛覺受體的充分電流。當(dāng)信號(hào)的電流高于或位于閾值線右側(cè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生疼痛信號(hào)，而典型的無痛行為則表現(xiàn)為相反。此外，作者還構(gòu)建了一個(gè)閾值觸發(fā)電路，該電路在EPSC電流達(dá)到閾值時(shí)生成寬度為110毫秒的電壓脈沖，復(fù)制了痛覺神經(jīng)元的放電行為（圖3d）。

SMCD不僅能夠執(zhí)行高級(jí)神經(jīng)功能，還能產(chǎn)生肌肉驅(qū)動(dòng)效應(yīng)（圖4a）。當(dāng)對(duì)金電極施加?3 V的電壓，持續(xù)時(shí)間為160毫秒，占空比為50%時(shí)，SMCD會(huì)產(chǎn)生微小的顫動(dòng)動(dòng)作，在電壓移除后，其電流迅速下降。相比之下，當(dāng)施加相同電壓刺激于銀電極時(shí)，電流信號(hào)迅速飽和，然后逐漸下降（圖4b）。在這些過程中，SMCD會(huì)強(qiáng)烈彎曲，甚至彎曲達(dá)到360°形成一個(gè)圓圈。其機(jī)制涉及在施加電場(chǎng)中水合陽離子的遷移。當(dāng)電壓未施加時(shí)，SMCD中的水合陽離子均勻分布在PFSA中。當(dāng)施加電壓時(shí)，連續(xù)的銀電極能夠形成一個(gè)平面電場(chǎng)，以控制SMCD中大面積的離子遷移，增加遷移到陰極側(cè)的水合陽離子的比例（圖4a）。這些水合陽離子迅速遷移，當(dāng)它們積累時(shí)，彼此之間的空間相互作用導(dǎo)致PFSAPVA膜陰極側(cè)的膨脹，從而使其向陽極側(cè)彎曲以實(shí)現(xiàn)激發(fā)。

為了利用這種變形效應(yīng)，作者設(shè)計(jì)了一種用于360度全景視圖的應(yīng)用，模仿了蝸牛的莖眼（圖4d–g）。作者還通過激光切割制造了一種受四爪捕蠅草啟發(fā)的軟體機(jī)器人。通過在整個(gè)表面施加均勻電壓，可以輕松實(shí)現(xiàn)軟結(jié)構(gòu)的閉合（圖4h）。同時(shí)，作者發(fā)現(xiàn)通過設(shè)計(jì)和組合接收刺激電壓的電極形狀，能夠?qū)崿F(xiàn)局部溶脹的軟物質(zhì)電容式驅(qū)動(dòng)器（SMCDs），從而實(shí)現(xiàn)任意的多維變形（圖4k）。