近年来，工程师们一直致力于开发能够模拟各种生物系统（包括突触、人体皮肤和神经）功能的硬件元件。这些受生物启发的系统被称为人造神经，旨在再现人类及其他动物体内神经的作用。
人造神经的应用范围极广，从修复受损神经，到脑机接口、高精度传感器及其他先进电子设备，不一而足。然而，迄今为止，工程师要设计出与生物频率兼容且能逼真复制神经功能的神经启发系统，仍面临重大挑战。
近日，西安交通大学与德国慕尼黑工业大学的研究人员开发出一种新型高频人工神经。该系统采用独特设计，优化了离子与电子的传输，能够快速响应信号并保留电荷相关信息。这项研究发表在《Nature Electronics》上，所介绍的神经启发系统基于同质集成的有机电化学晶体管。
“n型有机电化学晶体管是构成人造神经的潜在组件，因为它们的正电位触发特性可以模拟生物细胞的行为，”研究人员在论文中写道。“但由于这些器件在离子与电子传输及存储方面性能较弱，导致其挥发性和非挥发性特性不足，特别是在响应速度方面表现不佳。我们介绍了一种基于同质集成有机电化学晶体管的高频人工神经。”
生物神经的工作原理、组成部分（粉色方框）和人工构件（蓝色方框）
该团队开发的人工神经基于在基底上依次沉积的垂直 n 型有机电化学晶体管。这些器件可模拟人体神经系统中受体、突触和体节的功能，最终形成神经样电路。
“我们制造了一种具有梯度混合双连续结构的垂直 n 型有机电化学晶体管，可同时提升离子与电子传输及离子存储能力，”研究人员写道。“该晶体管具备 27 微秒的挥发性响应、100 kHz 的非易失性记忆频率及较长的状态保持时间。”
与人体皮肤贴合良好的柔性 CMAN 照片
此前的人工神经系统虽然在离子与电子传输、长期记忆等方面表现良好，但在其他方面却难以兼顾。而此次研究人员打造的基于有机晶体管的系统，不仅实现了良好的离子与电子传输，还具备长期离子存储能力，打破了此前的性能权衡。
“我们设计的集成人工神经由垂直排列的 n 型与 p 型有机电化学晶体管组成，能在高频领域提供感知、处理和记忆等功能，”研究人员写道。“我们还展示了该人工神经可植入神经功能受损动物模型中，并能模拟基本的条件反射行为。”
为评估其潜力，研究人员将人工神经植入神经功能受损的小鼠体内。初步研究显示，该系统不仅与小鼠生物组织相容，还能有效模拟条件性神经反射。
未来，这种人工神经有望进一步优化，并在更大规模实验中测试其安全性与性能。最终，它可应用于开发修复神经回路的技术和脑机接口系统，如可由大脑控制的假肢、帮助瘫痪患者与人交流的装置，或是可精确监测和操控脑活动的系统。
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