Nat. Mater.：憶感器——“感知+記憶”新器件

在神經(jīng)元中，離子（如 Na?、Ca2?）的流動(dòng)構(gòu)成了大腦處理信息的“信號(hào)語言”——它們穿越細(xì)胞膜，引發(fā)神經(jīng)元的興奮與響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)感知和記憶。正因如此，模擬這種“離子驅(qū)動(dòng)”的感知與記憶行為，已成為類腦電子器件研究的重要方向。尤其是在水下、鹽水或體液等典型“濕環(huán)境”中，開發(fā)能同時(shí)具備感知功能和信息留存能力的器件，對(duì)于類腦計(jì)算、智能機(jī)器人、生物接口、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重大意義。然而，水中豐富的可移動(dòng)離子也帶來了根本性的挑戰(zhàn)：它們會(huì)在納米尺度上迅速屏蔽電場(chǎng)，形成所謂的 Debye 屏蔽效應(yīng)。這不僅限制了離子的響應(yīng)速度，也使得傳統(tǒng)器件在液體環(huán)境中往往依賴外加電壓，限制了器件設(shè)計(jì)的靈活性。

在此背景下，伯克利加州大學(xué)Junqiao Wu（吳軍橋）教授團(tuán)隊(duì)與北京大學(xué)唐克超研究員（原伯克利博士后）團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出一種新型的無源憶感器（Memsensor）。該器件可通過材料表面的離子遷移速率感知液體中鹽濃度，并將這種環(huán)境信息寫入材料本身，實(shí)現(xiàn)無電源、可保持的“記憶”功能。憶感器由VO2薄膜和緊貼其表面的銦（In）金屬構(gòu)成，利用固液界面的內(nèi)建電場(chǎng)，在Debye長度范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)In3?注入VO2表層，誘導(dǎo)VO2發(fā)生由絕緣態(tài)向金屬態(tài)的相變（圖1）。器件的“感知”體現(xiàn)在電阻下降速率隨鹽濃度而變，“記憶”則源于摻雜引發(fā)的非易失相變，即使移除鹽溶液后仍能保留電導(dǎo)狀態(tài)。需指出，本研究中的“憶感器”是指融合“記憶（memory）”與“傳感（sensing）”功能的器件，與部分文獻(xiàn)中用于指代“記憶+電感”（meminductor）的“憶感器”不同。研究不僅實(shí)現(xiàn)了感知與記憶功能的物理集成，還展示了其在仿生智能導(dǎo)航中的潛力。通過將多個(gè)憶感器加裝于小船底部，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了類似秀麗隱桿線蟲（C. elegans）的基于“鹽歷史記憶”的化學(xué)導(dǎo)航行為，為水下機(jī)器人與環(huán)境智能交互提供了全新的低功耗解決方案。該研究以“Mem-sensing by surface ion migration within Debye length”為題發(fā)表于材料學(xué)頂級(jí)期刊Nature Materials，伯克利加州大學(xué)博士生郭睿涵為文章一作。

圖1.高速、無偏壓的離子型憶感器

2.憶感器的工作機(jī)制與動(dòng)力學(xué)過程

憶感器的工作機(jī)制如圖2所示。由于銦金屬功函數(shù)低于VO2，會(huì)向其轉(zhuǎn)移電子并氧化為In3+，溶解于周圍鹽溶液中。由于In緊貼于VO2表面，部分In3+生成于固液界面的Debye長度范圍內(nèi)，受到內(nèi)建電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)迅速注入VO2表層，誘導(dǎo)VO2摻雜形成InxVO2，觸發(fā)絕緣-金屬相變，器件電阻下降。器件電阻變化速率隨鹽濃度升高而加快，體現(xiàn)出感知功能。更重要的是，相變具非易失性，使電導(dǎo)狀態(tài)在脫離溶液后依然保持，實(shí)現(xiàn)信息的“記憶”。作為對(duì)照，若在VO2與銦之間插入一層金（Au）膜，盡管電子轉(zhuǎn)移仍可發(fā)生，但I(xiàn)n3+難以進(jìn)入Debye區(qū)域，摻雜顯著減弱，憶感效應(yīng)大幅削弱，進(jìn)一步證明了器件的憶感效應(yīng)是基于對(duì)Debye長度內(nèi)建電場(chǎng)的有效利用。

圖3.憶感器模擬線蟲感知神經(jīng)可塑性行為

圖3展示了憶感器在模擬線蟲對(duì)鹽的感知與記憶方面的表現(xiàn)。自然界中，秀麗隱桿線蟲的左右神經(jīng)元（ASEL和ASER）對(duì)鹽濃度變化的感知具有記憶性。隨著暴露于鹽的時(shí)間增加，ASEL神經(jīng)元對(duì)鹽濃度突變的“增量”變化做出鈣信號(hào)先增強(qiáng)后下降的響應(yīng)（圖3a），而憶感器在類似條件下，其電導(dǎo)率變化幅度也呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。圖3b展示了憶感器對(duì)不同鹽濃度刺激的響應(yīng)，濃度越高，響應(yīng)越強(qiáng)，效應(yīng)越持久，類似ASEL神經(jīng)元對(duì)不同刺激強(qiáng)度的適應(yīng)機(jī)制。線蟲的另一類神經(jīng)元ASER可感知鹽濃度下降，并展現(xiàn)出刺激依賴的記憶行為（圖3d）。憶感器在長時(shí)間鹽水刺激后再暴露于過氧化氫溶液時(shí)，其電阻變化幅度也隨刺激時(shí)間增加而增大，表現(xiàn)出與ASER相似的記憶調(diào)節(jié)特性。

4.利用憶感器的類ASEL可塑性實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)水上導(dǎo)航

圖4展示了從線蟲到機(jī)器小船的仿生導(dǎo)航設(shè)計(jì)。研究借鑒秀麗隱桿線蟲能將鹽濃度與食物經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)的行為：在“高鹽饑餓”訓(xùn)練后回避高鹽，而“低鹽饑餓”訓(xùn)練后則趨向高鹽（圖4a）。研究團(tuán)隊(duì)將憶感器安裝于小船底部，并分別以“高鹽饑餓”或“低鹽饑餓”條件進(jìn)行訓(xùn)練（圖4b與4d），隨后將小船放入不同鹽濃度的水域中進(jìn)行自由選擇。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，配備憶感器的小船能夠根據(jù)“訓(xùn)練濃度”主動(dòng)回避或靠近高鹽區(qū)域，而使用無記憶的普通傳感器的對(duì)照組則完全無法實(shí)現(xiàn)此類適應(yīng)性行為（圖4c與4e）。這項(xiàng)結(jié)果證明，憶感器的感知和記憶功能可用于驅(qū)動(dòng)基于“經(jīng)驗(yàn)”的行為決策。

這項(xiàng)研究展示了憶感器在濕環(huán)境中無源感知與記憶的集成能力，開辟了材料本征“記憶”功能的新范式。其類神經(jīng)可塑性行為不僅有望為類腦計(jì)算提供新的器件基礎(chǔ)，也為水下機(jī)器人、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物接口等領(lǐng)域帶來了全新的設(shè)計(jì)思路。未來，借助憶感器對(duì)刺激歷史的記錄與適應(yīng)特性，有望構(gòu)建具備長期環(huán)境記憶與決策能力的智能系統(tǒng)，推動(dòng)仿生電子學(xué)與神經(jīng)機(jī)器人技術(shù)的深度融合。此外，憶感器的設(shè)計(jì)理念具有良好的通用性。盡管本文以離子探測(cè)為示范，未來該架構(gòu)有望拓展至分子識(shí)別、生物電、熱信號(hào)、光信號(hào)等多種物理或化學(xué)刺激的感知與記憶，為構(gòu)建多模態(tài)、長期適應(yīng)性的智能系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1038/s41563-025-02312-9