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  生物泄漏-積分-發放（LIF）神經元是一種動態的活體計算系統，能夠通過突觸可塑性調節信號強度，并通過胞體放電產生動作電位。為了模擬 LIF 功能，構建一種具備可逆模擬型（突觸功能）與閾值開關型（胞體功能）的憶阻器至關重要。本文提出了一種可重構水凝膠憶阻器，通過調控其組成可分別模擬突觸或胞體功能。在柔性水凝膠基質中，聚乙烯醇（PVA）含量調控銀納米片（Ag NF）的分散狀態，從而形成不同的 Ag 導電路徑。低 PVA 含量下，憶阻器表現出模擬型特性；高 PVA 含量下，則呈現閾值開關特性，并具有 0.56 V 的低開啟電壓。此外，通過整合模擬型憶阻器、閾值開關型憶阻器、電容和電阻，構建了一種能夠根據歷史刺激動態調節發放概率的人工 LIF 神經元。該系統在圖像分類任務中實現了 95.46% 的準確率，能高度模擬生物神經元行為，并推動人工神經網絡硬件的發展。

  2026年4月2日，研究成果以“Bioinspired Leaky Integrate-and-Fire Neurons Enabled by Reconfigurable Hydrogel Memristors”為題發表在“Advanced Materials”期刊上。該論文第一單位為南方科技大學，科研助理藍榮華（現為廈門大學博士研究生）為論文第一作者，肖凱副教授為論文通訊作者。

  突觸可塑性與胞體的積分-發放行為是生物 LIF 神經元學習與計算的基礎。近年來，研究者通過水凝膠憶阻器成功模擬了生物突觸與胞體的功能。然而，由于人工突觸與人工胞體在功能和實現機制上存在差異，大多數基于水凝膠的人工突觸與人工胞體仍依賴不同材料體系分別構建。這種異質性不僅增加了器件制備與系統集成的復雜性，也不同于生物神經元中突觸與胞體共享相同離子環境的生理特征，從而在根本上限制了人工神經網絡硬件的發展。因此，探索在單一水凝膠體系中分別實現突觸與胞體功能，對于更全面模擬生物 LIF 神經元具有重要意義。

  在本研究中，提出了一種可重構水凝膠憶阻器，突破了傳統水凝膠基神經形態器件難以在單一材料體系中分別模擬突觸與胞體功能的瓶頸。該憶阻器采用氧化銦錫（ITO）作為電極層，水凝膠層則由聚丙烯酰胺（PAAm）、聚乙烯醇（PVA）和銀納米片（Ag NF）組成（圖1）。通過調控 PVA 含量，可有效調節 Ag NF 在水凝膠基質中的分散狀態，從而形成不同的 Ag 導電路徑（圖2）。其中，低 PVA 含量制備的非易失性模擬型憶阻器可用于模擬成對脈沖促進/抑制（PPF/PPD）和脈沖時序依賴可塑性（STDP）等突觸行為（圖3）；高 PVA 含量制備的易失性閾值開關憶阻器則表現出 0.56 V 的低閾值開關特性，可用于模擬胞體的積分-發放行為（圖4）。值得注意的是，閾值開關憶阻器還可以通過調節鉗位電流實現由易失性向非易失性的轉變。此外，基于上述憶阻器構建的人工 LIF 神經元電路，通過引入突觸可塑性實現了根據歷史刺激動態調節發放頻率，并在圖像分類任務中取得了 95.46% 的高識別準確率（圖5）。該工作在單一水凝膠體系中分別實現了突觸與胞體功能，為更全面模擬生物 LIF 神經元及構建柔性神經形態硬件提供了新思路。

圖1 可重構水凝膠憶阻器用于模擬生物 LIF 神經元功能

圖2 可重構水凝膠憶阻器的機理解釋與表征

圖3 非易失性模擬型憶阻器用于模擬突觸可塑性

圖4 易失性閾值開關憶阻器用于模擬胞體的積分-發放行為

圖5 基于憶阻器的人工 LIF 神經元用于圖像識別

  本工作得到了深圳市醫學研究專項、國家自然科學基金、廣東省科技廳和深圳市科技創新委員會等項目的支持。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202520195

  肖凱副教授課題組長期招聘博士后。課題組自2021年9月成立，圍繞“神經仿生材料”“類腦計算器件”“神經調控技術”開展多學科交叉研究。課題組成員以南科大為第一單位在Nat. Commun., Sci. Adv., Angew等雜志發表多篇文章，課題組多位博士后成員獲批國自然青年基金、博士后海外引才專項基金等。具體信息見課題組網站：http://www.xiaokai-group.cn/

招聘科研背景要求：

  1. 材料化學：具有電化學、無機納米材料制備、離子導電聚合物、凝膠材料、膠體界面化學等研究背景者優先。

  2. 器件制備：具有生物電子/柔性電子器件、微納電子器件、微納流體器件、神經擬態器件、可穿戴器件、智能傳感器件、清潔能源器件等研究背景者優先。

  3. 生物信號調控及神經計算：具有神經工程、細胞/生物電生理調控、神經計算等研究背景者優先。

  有意者直接和肖凱副教授聯系：xiaok3@sustech.edu.cn