勇于冒險 甘于艱苦 樂于和諧

?? ? ? ?近日，南方科技大學生物醫學工程系副教授肖凱團隊在“仿生多尺度離子基神經擬態器件”領域取得多項研究成果，相關論文相繼在Nature Communications, CCS Chemistry, Advanced Science, ACS Nano等期刊發表。

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? ? ? ?智能生命中信號的產生和處理是通過納米尺寸的離子通道控制離子傳輸，在微米尺寸的神經元上產生動作單位，進而在宏觀神經網絡中實現信號傳遞和信息存貯。智能生命的語言是“離子”，而人工智能的語言是“電子”。為了構筑高通量、低能耗的新型人工智能體系，突破智能生命和人工智能信息交流的壁壘，需要向智能生命學習，通過仿生的手段構筑仿生納米通道，探究限域納米空間內可控離子傳輸的機制；構筑基于離子傳輸的仿生神經元，實現動作電位的產生及傳導；構筑離子基神經網絡，實現類生命體的信號傳遞和信息存貯；這一系列過程構成了“仿生多尺度離子基神經擬態器件”的基礎。肖凱課題組自2021年9月成立以來，圍繞該主題取得了一系列進展。

圖1. 具有多尺度的碳基納米流體及離子二極管性質

? ? ? ?智能生命體具有單向的離子傳輸性質（離子二極管），從而實現神經細胞動作電位的產生、細胞滲透壓控制等一系列生命活動過程。肖凱課題組通過構筑碳基非對稱仿生離子通道，打破現有“硅+電子”二極管構筑模式，實現了類生命體蛋白質通道的“碳+離子”模式二極管性質，為構筑離子基邏輯電路打下了良好的基礎，并衍生出離子基晶體管、離子基仿生神經元等一系列課題組正在順利推進的工作。相關研究成果以“Unidirectional ion transport in nanoporous carbon membranes with a hierarchical pore architecture” 為題目在Nature Communications上發表。

? ? ? ?離子泵是智能生命體獨特的功能，通過消耗外部能源實現離子的逆濃度梯度輸運，是光合作用、能量貨幣ATP合成、動作電位的產生等智能生命重要生理活動的基礎。如何通過仿生的手段構筑類生命體的仿生離子泵可為實現離子型光電能源轉換、神經信號調控等多種器件的制備及技術的突破打下良好的基礎。肖凱課題組前期通過構筑基于半導體材料的納米流控體系，實現了一系列仿生離子泵功能和應用（Nat. Commun. 2019, 10, 74；Natl. Sci. Rev. 2021, 8, nwaa231.）。近期，課題組提出通過在納米流體中引入非對稱元素可以實現仿生離子泵的構筑，如對于研究最多的仿生光驅動離子泵，可分別通過非對稱的光電效應、光熱效應和光化學反應實現光驅動離子泵的構筑（CCS Chemistry, 2022, 4, 54-65; ACS Nano, 2022, accepted）。

圖2. 基于離子傳輸可以實現基于電子傳輸的所有能源和傳感過程

? ? ? ?近年來隨著人工智能的崛起及對生物智能的深入了解，人們發現基于電子傳輸的各類器件在實現人機交互過程中具有很大的局限性，通過向智能生命學習，構筑基于離子傳輸的各類能源器件和傳感器件可為發展下一代腦機界面，實現無障礙的人機交互打下良好的基礎。該研究主題涉及化學、材料、器件、生物等多學科交叉領域。近期，肖凱課題組受邀針對如何通過離子傳輸構筑納米離子學器件，進而實現納米電子學器件不能滿足的功能，發表了一系列展望和總結（Adv. Sci. 2022, 2200534；Adv. Mater. Technol. 2022, 2200205.）。該系列文章指出，通過向智能生命學習，借助多種微納米加工手段實現納米離子學器件的構筑，探索離子在限域納米空間內的傳輸性質，可實現納米電子學能實現的諸多功能。同時，該系列文章分析并對比了基于離子和基于電子各類器件的優缺點，并預測基于離子傳輸的仿生納米離子學器件將是繼納米電子學器件的又一研究熱點。

? ? ? ?以上研究論文，南科大均為論文第一單位，肖凱為論文通訊作者，肖凱課題組博士后張建瑞、李天明，博士研究生張紅杰、科研助理梅婷婷等為論文第一作者。

? ? ? ?以上課題的開展和完成得到了國家自然科學基金優秀青年（海外）項目、廣東省先進生物材料重點實驗室和南方科技大學啟動經費的大力支持。

論文鏈接：

1.?https://www.nature.com/articles/s41467-021-24947-3?

2.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202200534?

3.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202200205?

4.https://www.chinesechemsoc.org/doi/full/10.31635/ccschem.021.202101297?