近日，东华大学武培怡教授课题组用最简单的水凝胶材料——聚丙烯酰胺及其共聚物水凝胶，通过不对称三聚体设计来模拟生物感觉神经系统中的离子通道。
2022年12月1日，该研究成果以“Short-term plasticity, multimodal memory, and logical responses mimicked in stretchable hydrogels”为题，在线发表在Matter期刊上。
论文第一作者为雷周玥博士，通讯作者为武培怡教授。
▌研究背景
人类感觉神经系统依靠选择的离子流通过跨膜离子通道来感知、传输、处理和记忆信息以进行有意识的感知和决策。相比之下，先进的电子工业是基于刚性半导体中电子和空穴的选择性传输来构建用于人工智能的传感器和逻辑电路。可拉伸电子设备的一些最新进展使人机界面上的软交互成为可能，实现了可穿戴设备和软体机器人假肢的应用。然而，目前在生物和电子系统之间的信号和力学兼容性方面仍然存在挑战。一方面，它们使用不同的语言，即离子和电子。另一方面，当应用于动态变形界面时，半导体材料的刚性限制了性能稳定性。作为替代方案，由本征柔性可拉伸的水凝胶组成的离子导体越来越受到关注，以模仿生物系统的成分和力学性质从而与之更好地进行交互。普通本体水凝胶可以使用离子作为电荷载体来传输信号，目前已经被制备成各种各样的仿生皮肤传感器用于人机交互。此前，武培怡教授课题组的一系列研究，系统报道了如何用离子水凝胶和离子导电弹性体来模拟皮肤的感知功能、力学特性、物质传输和能量转换（Adv. Mater., 2017, 29, 1700321;Nat. Commun. 2018, 9, 1134;Nat. Commun. 2019, 10, 3429;Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2008020；Joule, 2021, 5, 2211-2222等）。
但是，现有的人工水凝胶远不如复杂的生物系统和现代电子设备强大。它们可以模仿皮肤的信息感知，却缺乏模仿大脑进行信息处理和记忆的能力。这是因为普通水凝胶没有固有逻辑方式去操纵离子电流以实现对信号的处理。而在生物系统中，跨细胞膜离子通道将细胞内和细胞外介质分开，并选择性地渗透阳离子（例如 Na+、K+和 Ca2+）和阴离子（例如 Cl-），实现了对信号的感知、处理和记忆。受此启发，研究组提出了不对称的“三聚体”设计，使得普通水凝胶也能初步模拟生物智能，包括离子选择性、短期可塑性、多模态记忆和逻辑响应。其中，离子选择性水凝胶夹在高盐度水凝胶 (HH) 和低盐度水凝胶之间（LH），通过内部产生的电场来调控离子电流，为人工水凝胶中离子流的时空分布调节奠定了基础。
▌研究亮点
针对目前挑战，这项工作用最简单的水凝胶材料——聚丙烯酰胺及其共聚物水凝胶，通过不对称三聚体设计来模拟生物感觉神经系统中的离子通道。不对称三聚体水凝胶建立了内部电场。它允许对离子流进行时空操纵以识别、处理和记忆信息，从而实现传统水凝胶尚未实现的短期可塑性和多模态记忆。此外，透明的三聚体水凝胶在大变形下也能稳定工作，克服了传统半导体电子设备遇到的光学和力学限制。
▌研究内容
三聚体水凝胶内部电场相对稳定，具有不对称的I-V工作曲线，表现出单向导通的离子整流效应，整流比大约为7.4。在两次连续施加短期电刺激的情况下，三聚体水凝胶会表现出电流抑制效应，模拟了生物神经系统中的刺激保护机制。
图1：三聚体水凝胶的仿生结构设计和短期塑性。
当接收到来自外部电场的输入信号时，三聚体水凝胶内部的离子分布会被重新排列，远离平衡状态。在刺激结束后，离子逐渐流回到平衡状态，产生一个动态输出电压，该电压会自发地衰减。这个过程类似于人脑的记忆训练过程，经过多次长时间的训练，记忆强度会显著高于短期训练，表现出多模态记忆特性。利用这个特性，三聚体水凝胶可以应用于图像的次序遗忘和记忆。
图2：水凝胶的多模态记忆。
水凝胶离子器件自身的重要优势也在于它们的本征透明性和可拉伸性。这里研究组也证明了整个三聚体水凝胶的光学透明性和变形稳定性。由于LH端水凝胶的离子电导率最低，所以整体器件的离子电阻主要取决于LH。当模量最低的中间层发生变形，包括拉伸和弯曲时，对于整体器件的离子电阻影响都较小，器件的多个电学性能参数都维持稳定。
图3：三聚体水凝胶的高透明性、本征可拉伸性和稳定性。
课题组进一步证明了不对称三聚体设计的普遍适用性，对于多种小分子电解质和聚合物网络，当它们遵循同样的设计原理时，都可以建立相似的内部电场来调控离子信号，以实现对信息的感知、处理和记忆。说明三聚体结构设计普遍适用于离子型器件。
在实际应用中，三聚体水凝胶不仅可以实现传统水凝胶离子器件仿生皮肤感知功能的效果，如对温度刺激的感知，还可以将从传感器接收到的信号进行实时处理，例如在识别到10秒的压力刺激后，三聚体水凝胶表现出刺激增强的电压感知和逐步遗忘的过程。此外，三聚体水凝胶可以组装成逻辑电路，实现简单的静态逻辑门效果；利用三聚体水凝胶的信息记忆和遗忘，还可以实现动态的逻辑信号输出。
图4：三聚体水凝胶的信息识别、记忆和逻辑响应。
▌研究总结
在过去的几年里，水凝胶因其良好的生物相容性、高度可拉伸性、高透明度和低成本等优势，成为了可拉伸智能设备的重要候选材料。他们已经展示了许多新兴功能，例如离子皮肤的感知功能和仿生肌肉的致动功能，但尚未实现类脑智能。在这项工作中，研究组提出了一种受生物启发的不对称三聚体设计，来模拟生物感觉神经系统中的离子通道。不对称三聚体水凝胶建立了仿生内部电场。它允许对离子流进行时空操纵以识别、处理和记忆信息，从而实现本体水凝胶尚未证明的短期可塑性和多模态记忆。与传统电子设备相比，透明的三聚体水凝胶在大变形下也能稳定工作，克服了光学和力学限制。三聚体水凝胶的尺寸/变形不敏感性也显现出在不同形态结构尺寸中实施这种仿生设计的可行性。此外，不对称三聚体设计也适用于各种水凝胶和聚合物，具有很好的普适性。研究组相信，这一工作将为柔性离子器件的发展提供新的启发，也为未来实现可拉伸智能材料与生物组织的协同整合提供了新思路。
该课题得到了国家自然科学基金重点项目 (51733003）等项目的资助与支持。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.11.001
