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  生物智能產(chǎn)生于對(duì)外界信息的快速感知、聯(lián)想學(xué)習(xí)和長(zhǎng)期記憶，這些過程從根本上由離子的選擇性傳輸和動(dòng)態(tài)弛豫控制。受生物系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，合成柔性離子材料，如水凝膠和離子凝膠，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了仿生皮膚的感知功能。然而，對(duì)于高階功能（如學(xué)習(xí)和記憶）的能力仍然缺乏。

  東華大學(xué)武培怡/雷周玥團(tuán)隊(duì)提出了一種具有自適應(yīng)離子雙層（IDL）界面的雙層離子凝膠，其IDL由陽(yáng)離子-π相互作用形成，可以調(diào)節(jié)離子的快速響應(yīng)和慢弛豫動(dòng)力學(xué)。快速的離子響應(yīng)和傳輸使其具有感知和學(xué)習(xí)功能，而緩慢的離子松弛支持長(zhǎng)期記憶。

圖1. 基于陽(yáng)離子-π相互作用和IDL的雙層離子凝膠設(shè)計(jì)

  離子凝膠設(shè)計(jì)的靈感來(lái)源于生物感覺神經(jīng)系統(tǒng)的細(xì)胞膜門控結(jié)構(gòu)。疏水且環(huán)境穩(wěn)定的[EMIM]⁺ [TFSI]^-離子液體作為主要離子載體。陽(yáng)離子聚丙烯酸酯塊體（CPB）和中性聚丙烯酸酯塊體（NPB）組成雙層結(jié)構(gòu)，兩層之間形成Janus結(jié)構(gòu)的IDL。其中，NPB的陽(yáng)離子和陰離子的傳輸速率相似，比CPB中的陰離子輸運(yùn)速率慢，而比CPB中的陽(yáng)離子輸運(yùn)速率快。

圖2. 雙層離子凝膠的聯(lián)想學(xué)習(xí)功能

  雙層離子凝膠展現(xiàn)出非線性整流效應(yīng)，并表現(xiàn)出類似于在生物神經(jīng)系統(tǒng)中的突觸短期可塑性（STP）。還可通過正向與反向脈沖，對(duì)離子凝膠實(shí)現(xiàn)不同的信息寫入和擦除狀態(tài)。同時(shí)，雙層離子凝膠能夠模擬經(jīng)典的巴甫洛夫條件反射。這種學(xué)習(xí)行為是由每次刺激后緩慢離子松弛的累積形成。緩慢的松弛保留了先前刺激的狀態(tài)，使離子凝膠能夠保留過去的學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)。

圖3. 雙層離子凝膠的聯(lián)想學(xué)習(xí)行為

  雙層離子凝膠對(duì)時(shí)間序列和間隔也具有進(jìn)行編碼和處理的能力。當(dāng)施加由不同頻率的正尖峰訓(xùn)練組成的刺激時(shí)，電信號(hào)響應(yīng)隨頻率的變化而變化，可以產(chǎn)生不同的反應(yīng)模式。值得注意的是，正向刺激和反向刺激的出現(xiàn)順序，也顯著影響離子凝膠的記憶曲線。反向刺激發(fā)生得越晚，記憶曲線衰減越快。

圖4. 雙層離子凝膠的多模態(tài)記憶

  雙層離子凝膠根據(jù)不同的訓(xùn)練次數(shù)和持續(xù)時(shí)間，從感覺記憶到短期記憶（STM）到長(zhǎng)期記憶（LTM）的轉(zhuǎn)換能夠?qū)崿F(xiàn)不同模式信息的編碼、存儲(chǔ)及檢索功能。當(dāng)訓(xùn)練時(shí)間從50秒增加到500秒時(shí)，雙層離子凝膠展現(xiàn)出從STM到LTM的轉(zhuǎn)變。此外，對(duì)于相同的總訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)，多次訓(xùn)練（5組100 秒）的記憶效果也優(yōu)于單次訓(xùn)練效果（500 秒）。這種功能類似于人類大腦反復(fù)學(xué)習(xí)后的記憶強(qiáng)化。此外，通過 STM 與LTM 轉(zhuǎn)換模式與訓(xùn)練，凝膠陣列也展現(xiàn)出圖案記憶、動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)和信息加密的潛力。

圖5. 離子凝膠整合信息感知、學(xué)習(xí)和記憶功能

  雙層離子凝膠基于其感知和、學(xué)習(xí)和記憶功能，可以控制機(jī)械臂產(chǎn)生類似捕蠅草的智能決策。捕蠅草對(duì)于單次刺激是沒有反應(yīng)的，只有對(duì)多次連續(xù)刺激，才會(huì)判斷為有活物接觸從而觸發(fā)葉片關(guān)閉。這是一種低能耗的生物智能決策。而離子凝膠也可以實(shí)現(xiàn)類似的自主決策功能。對(duì)于低頻按壓無(wú)響應(yīng)，高頻按壓觸發(fā)響應(yīng)并控制機(jī)械臂抓住小球，高頻持續(xù)按壓則控制機(jī)械臂進(jìn)行抓取和旋轉(zhuǎn)。

  本研究通過引入IDL界面，雙層離子凝膠實(shí)現(xiàn)了感知、學(xué)習(xí)、記憶和自主決策功能的集成，同時(shí)開辟了在凝膠類材料中實(shí)現(xiàn)電信號(hào)處理和調(diào)制功能的途徑。

  上述研究成果以“Bioinspired learning and memory in ionogels through fast response and slow relaxation dynamics of ions“為題在線發(fā)表于期刊《Nature Communications》上。該研究工作由東華大學(xué)完成，東華大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院博士研究生周寧為論文第一作者，東華大學(xué)雷周玥研究員和武培怡教授為論文通訊作者。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金委（52433003和22305033）和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（2232024A-05）對(duì)該工作的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59944-3