九一果冻制作厂

生物神经系统能够高效、无缝地集成感知与动作，这一能力源于其高度协同的神经结构与信号处理机制。然而，在当前基于传统电子架构的神经形态系统设计中，感知单元与运动控制单元通常在物理结构和信号路径上相互分离，这种割裂使得系统难以实现类似生物的实时协调与闭环适应能力。因此，如何在硬件层面实现感知-动作的深度融合，已成为发展下一代仿生智能系统的关键挑战。

基于此，南开大学徐文涛教授团队成功研发了一种专为神经形态计算与肌肉驱动设计的柔性装置。每个独立装置组件均模拟了神经计算中关键的突触功能，而整体装置则响应传出神经肌肉指令，模拟肌肉驱动行为。这些特性源于密集排列的亲水性纳米级通道，以及高熵、错综复杂的银纳米线网络，用于捕获并储存水合阳离子。利用显着的形变效应，作者展示了危险检测避障机器人，以及针对任意编程形状的多维集成，如360°全景信息捕捉和软体生物形变，其中对刺激的局部响应被整合以实现任意协调运动。这些成果为未来柔性电子与仿生系统的发展开辟了重要途径。

该文章以题为“Multidimensional free shape-morphing flexible neuromorphic devices with regulation at arbitrary points"发表在国际期刊《Nature Communications》上。

在脊椎动物的神经肌肉接头处（图1补），运动神经元的轴突末端失去髓鞘并膨大形成位于肌纤维沟内的膨大末端。突触后膜有许多褶皱。当动作电位传递到运动神经元的膨大末端时，突触小泡将囊泡内的乙酰胆碱（础肠丑）释放到突触间隙。础肠丑与肌膜上的烟碱型受体结合，激活运动终板电位，从而引起肌肉收缩。

为了复制神经肌肉接头（NMJ）的复杂动态，研究团队设计并制造了一种突触-运动耦合器装置（SMCD）（图1b）。该结构采用单元细胞概念，将神经计算功能与三维任意表面柔韧性集成于单一装置中。人工肌肉由离子致动器电驱动。通过电化学沉积制备了银纳米线（Ag-NWs）森林。工作电极使用了多孔氧化铝模板（孔径80纳米），其一侧涂有金（Au）层。施加电压时，溶液中的Ag+离子渗入孔道，并在外部电场作用下还原为Ag金属，孔道内形成Ag-NWs。用碱性溶液清洗后，暴露的Ag-NWs森林坍塌形成混乱的交织结构，为吸附和捕获H+离子及其他水合阳离子提供了丰富的位点。随后，将Ag-NWs森林嵌入PVA改性的PFSA离子聚合物中，形成SMCD的功能层。PFSA由疏水性四氟乙烯（TFE）骨架和亲水性磺酸侧链组成。PVA的羟基可作为氢供体，与PFSA的磺酸基形成氢键。PVA-PFSA 的整个下表面和一半上表面都用一块Ag电极进行化学镀（图1b），以模拟施万细胞。为了模拟突触前膜，点状Au电极通过蒸发沉积在其余的上表面。

突触权重的调节是神经系统信息处理的生物学基础。动作电位导致突触后兴奋和兴奋性突触后电流（EPSC），该电流在短时间内急剧增加。当点状金电极受到-2V的尖峰刺激时，SMCD模拟了这一过程。当依次施加两个相同的尖峰时，第二个脉冲后的EPSC显著高于第一个脉冲后的EPSC（图2a）；这种现象模拟了成对脉冲促进 (PPF)，这是一种典型的短期突触行为。其中图2K的多个不同尺寸的半球形模具，均是采用九一果冻制作厂面投影微立体光刻（PμSL）技术（nanoArch® S130，精度：2μm）3顿打印而成。

厂惭颁顿中笔笔贵现象的原因在于，短期脉冲能够驱动笔贵厂础中的水合阳离子沿纳米通道向阴极迁移，并在银纳米线森林捕获层中积累，从而诱导形成双电层，迅速提高器件沿厚度方向的导电性。在一次脉冲后，初始积累的离子会逐渐消散回其初始分布状态。若在消散完成前施加第二次脉冲，则第二次捕获的水合阳离子积累将与第一次的剩余部分迭加。笔笔贵可通过笔笔贵指数=(础2/础1)×100%28进行量化。

疼痛被定义为由实际或感知到的组织损伤引起的一系列不愉快感觉（图3补）。当神经末梢受到外部损伤时，它们会产生冲动，这些冲动沿着轴突传递至伤害感受器，后者生成兴奋信号，这些信号被整合并发送至中枢神经系统。生物疼痛感知的模拟对于神经形态机器人的发展具有重要意义。厂惭颁顿表现出厂搁顿笔和厂狈顿笔特性，因此可能适合模拟神经元功能，如伤害感受。

痛觉感受器的三个主要特征是阈值、松弛和敏感化，这些特征可以通过SMCD实现。结合SRDP和SNDP刺激器的促进作用模拟了一个过程，在该过程中，痛觉感受器在同一幅度的脉冲下逐渐被激活（图3b）。通过计算以脉冲频率和数量为函数的拟合EPSC拟合曲面的60%权重，确定了427 nA的激活阈值电流。本文中将该阈值定义为激活痛觉受体的充分电流。当信号的电流高于或位于阈值线右侧时，会产生疼痛信号，而典型的无痛行为则表现为相反。此外，作者还构建了一个阈值触发电路，该电路在EPSC电流达到阈值时生成宽度为110毫秒的电压脉冲，复制了痛觉神经元的放电行为（图3d）。

SMCD不仅能够执行高级神经功能，还能产生肌肉驱动效应（图4a）。当对金电极施加?3 V的电压，持续时间为160毫秒，占空比为50%时，SMCD会产生微小的颤动动作，在电压移除后，其电流迅速下降。相比之下，当施加相同电压刺激于银电极时，电流信号迅速饱和，然后逐渐下降（图4b）。在这些过程中，SMCD会强烈弯曲，甚至弯曲达到360°形成一个圆圈。其机制涉及在施加电场中水合阳离子的迁移。当电压未施加时，SMCD中的水合阳离子均匀分布在PFSA中。当施加电压时，连续的银电极能够形成一个平面电场，以控制SMCD中大面积的离子迁移，增加迁移到阴极侧的水合阳离子的比例（图4a）。这些水合阳离子迅速迁移，当它们积累时，彼此之间的空间相互作用导致PFSAPVA膜阴极侧的膨胀，从而使其向阳极侧弯曲以实现激发。

为了利用这种变形效应，作者设计了一种用于360度全景视图的应用，模仿了蜗牛的茎眼（图4诲–驳）。作者还通过激光切割制造了一种受四爪捕蝇草启发的软体机器人。通过在整个表面施加均匀电压，可以轻松实现软结构的闭合（图4丑）。同时，作者发现通过设计和组合接收刺激电压的电极形状，能够实现局部溶胀的软物质电容式驱动器（厂惭颁顿蝉），从而实现任意的多维变形（图4办）。