肖凯团队在“仿生多尺度离子基神经拟态器件”领域取得多项新进展

qingli

近日，南方科技大学生物医学工程系副教授肖凯团队在“仿生多尺度离子基神经拟态器件”领域取得多项研究成果，相关论文相继在Nature Communications, CCS Chemistry, Advanced Science, ACS Nano等期刊发表。

          智能生命中信号的产生和处理是通过纳米尺寸的离子通道控制离子传输，在微米尺寸的神经元上产生动作单位，进而在宏观神经网络中实现信号传递和信息存贮。智能生命的语言是“离子”，而人工智能的语言是“电子”。为了构筑高通量、低能耗的新型人工智能体系，突破智能生命和人工智能信息交流的壁垒，需要向智能生命学习，通过仿生的手段构筑仿生纳米通道，探究限域纳米空间内可控离子传输的机制；构筑基于离子传输的仿生神经元，实现动作电位的产生及传导；构筑离子基神经网络，实现类生命体的信号传递和信息存贮；这一系列过程构成了“仿生多尺度离子基神经拟态器件”的基础。肖凯课题组自2021年9月成立以来，围绕该主题取得了一系列进展。

图1. 具有多尺度的碳基纳米流体及离子二极管性质

        智能生命体具有单向的离子传输性质（离子二极管），从而实现神经细胞动作电位的产生、细胞渗透压控制等一系列生命活动过程。肖凯课题组通过构筑碳基非对称仿生离子通道，打破现有“硅+电子”二极管构筑模式，实现了类生命体蛋白质通道的“碳+离子”模式二极管性质，为构筑离子基逻辑电路打下了良好的基础，并衍生出离子基晶体管、离子基仿生神经元等一系列课题组正在顺利推进的工作。相关研究成果以“Unidirectional ion transport in nanoporous carbon membranes with a hierarchical pore architecture” 为题目在Nature Communications上发表。
        离子泵是智能生命体独特的功能，通过消耗外部能源实现离子的逆浓度梯度输运，是光合作用、能量货币ATP合成、动作电位的产生等智能生命重要生理活动的基础。如何通过仿生的手段构筑类生命体的仿生离子泵可为实现离子型光电能源转换、神经信号调控等多种器件的制备及技术的突破打下良好的基础。肖凯课题组前期通过构筑基于半导体材料的纳米流控体系，实现了一系列仿生离子泵功能和应用（Nat. Commun. 2019, 10, 74；Natl. Sci. Rev. 2021, 8, nwaa231.）。近期，课题组提出通过在纳米流体中引入非对称元素可以实现仿生离子泵的构筑，如对于研究最多的仿生光驱动离子泵，可分别通过非对称的光电效应、光热效应和光化学反应实现光驱动离子泵的构筑（CCS Chemistry, 2022, 4, 54-65; ACS Nano, 2022, accepted）。

图2. 基于离子传输可以实现基于电子传输的所有能源和传感过程

       近年来随着人工智能的崛起及对生物智能的深入了解，人们发现基于电子传输的各类器件在实现人机交互过程中具有很大的局限性，通过向智能生命学习，构筑基于离子传输的各类能源器件和传感器件可为发展下一代脑机界面，实现无障碍的人机交互打下良好的基础。该研究主题涉及化学、材料、器件、生物等多学科交叉领域。近期，肖凯课题组受邀针对如何通过离子传输构筑纳米离子学器件，进而实现纳米电子学器件不能满足的功能，发表了一系列展望和总结（Adv. Sci. 2022, 2200534；Adv. Mater. Technol. 2022, 2200205.）。该系列文章指出，通过向智能生命学习，借助多种微纳米加工手段实现纳米离子学器件的构筑，探索离子在限域纳米空间内的传输性质，可实现纳米电子学能实现的诸多功能。同时，该系列文章分析并对比了基于离子和基于电子各类器件的优缺点，并预测基于离子传输的仿生纳米离子学器件将是继纳米电子学器件的又一研究热点。
        以上研究论文，南科大均为论文第一单位，肖凯为论文通讯作者，肖凯课题组博士后张建瑞、李天明，博士研究生张红杰、科研助理梅婷婷等为论文第一作者。
以上课题的开展和完成得到了国家自然科学基金优秀青年（海外）项目、广东省先进生物材料重点实验室和南方科技大学启动经费的大力支持。


       论文链接：
       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/d ... schem.021.202101297


        文章来源：南方科技大学
        肖凯，助理教授，博士生导师，洪堡学者，国家级高层次人才获得者（海外）。2012年于吉林大学获得学士学位，2017年于中科院化学研究所获得博士学位，导师为江雷教授（中国科学院院士、美国工程院外籍院士）。2017-2020在德国马普胶体界面研究所从事博士后研究，合作导师为Markus Antonietti教授（欧洲科学院院士、瑞典科学院外籍院士）；2020-2021加入德国莱布尼茨固体与材料研究所从事博士后研究，合作导师为Oliver G Schmidt教授（德国科学院院士）。2021年加入南方科技大学生物医学工程系，建立“仿生多尺度离子基神经拟态器件” 实验室（Lab of bioinspired multiscale ionic neuromorphic devices (B-MIND lab)）。