今日Science Advances：全橡胶神经突触晶体管和集成神经功能的软系统

来源：知社学术圈

材料，电子和生物学领域的进步促进了人造神经突触的发展，并应用众多领域，例如并行处理，低功耗神经形态计算，神经假体等。然而，现有的器件大多采用刚性或柔性形式，只有少数研究报道了可拉伸弹性神经突触晶体管。但是，全部基于本征可拉伸弹性神经突触晶体管迄今为止从未有过报道。

神经突触是独特且关键的生物学结构，能够传输电或化学信号，从而使神经元能够彼此交流并被用于编码感觉，思想等。在人和动物体内，神经突触通常柔软且能够随着身体运动适应各种形式的机械变形。而且，神经突触在自然界中的一些软体动物具有伸展性，可以被显著拉伸。例如，蚯蚓的神经具有很强的延展性（50％到100％），被拉伸的同时能够基于周围环境的刺激引出不同的反应。与软体动物相似，具有拉伸性的人造神经突触是赋予软体系统的神经功能和许多其他重要应用（如神经修复术）的关键部件。

图1.蚯蚓中可拉伸神经突触及其突触传递过程的示意图

最近，美国休斯顿大学（University of Houston）的余存江 (Cunjiang Yu)教授课题组首次制备了全部基于橡胶电子材料的可拉伸弹性神经突触晶体管和集成了神经功能的软体系统。可拉伸弹性神经突触晶体管具有完整的生物神经突触特性。得益于橡胶电子材料的可拉伸特性，可拉伸弹性神经突触晶体管能够在拉伸50％的状态下保持其电学特性。基于可拉伸弹性神经突触晶体管，研究人员构建了可变形的触觉感知皮肤和神经集成的自适应软体机器人。相关研究以“Stretchable elastic synaptic transistors for neurologically integrated soft engineering systems”为题发表在《Science Advances》上。

图2.可拉伸弹性神经突触晶体管在静态和不同机械拉伸的条件的EPSC和 PPF

图3.可拉伸弹性神经突触晶体管在静态和50%机械拉伸的条件下的STM, LTM 和滤波特性

该可拉伸弹性神经突触晶体管使用全橡胶电子材料，包括橡胶导体（AuNPs-AgNWs/PDMS）,橡胶半导体（P3HT-NFs/PDMS），以及弹性栅隔离层（离子凝胶）。可拉伸弹性神经突触晶体管展现与生物神经突触相似的功能，包括兴奋性突触后电流（EPSC），双脉冲易化（PPF），短时记忆（STM），长时记忆（LTM）和滤波特性，并且能够在机械拉伸50％的条件下保持这些功能。

图4.可变形的集成神经系统的触觉感知皮肤

此外，研究人员还开发了基于可拉伸弹性神经突触晶体管的全橡胶触觉感知皮肤。机械刺激感受器感知刺激并产生突触前脉冲，进而激发神经突触晶体管产生突触后电位，产生的突触后电位可以直接串联生物神经。当全橡胶皮肤被拉伸时，仍然可以检测到突触后电位变化且用于表征阵列分布。该感知皮肤有望作为人造假皮肤直接贴敷在人体从而跟生物神经进行直接通信。

图5.神经集成的自适应软体机器人

研究者进一步创建了一种神经集成的自适应软体机器人。该机器人以软体气动机器人为基础，表皮上覆盖以弹性功能器件：摩擦电纳米发电器件和神经突触晶体管。机器人可以感应物理敲击并通过神经突触记忆编码信号的方式程序化自适应地运动。

这项工作验证了神经集成的软体系统的可行性，为未来实现大规模可拉伸弹性神经突触晶体管的应用（如神经形态计算，神经修复术等）提供了新的技术思路，向未来研究强大复合功能的工程系统迈出了第一步。作者同时指出目前构建的神经集成的软体系统的功能还比较简单，其复杂程度远远低于生物学神经系统。未来需要进一步探索和开发具有新结构和多功能的神经集成的软体系统。

该文章的通讯作者为休斯顿大学的余存江教授。文章的第一作者是休斯顿大学余教授课题的博士生Hyunsoek Shim，其他作者包括余教授课题组的Kyoseung Sim，Faheem Ershad, 杨品亦， Anish Thukral, 饶州铝等等，以及上海交通大学的谷国迎教授，南京邮电大学的高丽教授，南京大学的王欣然教授，和香港理工大学的柴杨教授。