【引言】
传入神经系统（ANS）是生物反射系统的重要组成部分，ANS由感受器、传入神经和神经中枢构成。其中，感受器在感受到外部刺激（压力、温度等）后通过传入神经将信号传递到神经中枢进行后续处理，从而实现生物体复杂的感知功能。随着神经形态芯片和人工智能机器人领域的快速发展，仿生ANS的研究迎来了新一轮的热潮。尽管已经有研究通过使用人工突触器件和机械感受器的组合来模拟外部刺激产生的神经响应，但如何实现人工突触直接对真实刺激做出稳定响应，并实现与人工突触的融合，仍是仿生神经传入系统（ANS）研究的挑战。
【成果简介】
有鉴于此，南开大学贾芸芳教授与河北大学闫小兵教授将触觉器官中的生物离子迁移与MXene人工突触器件的工作机制相结合，提出了一种类芯片的仿生ANS器件。该器件将离子导体弹性体（ICE）作为MXene突触第三端敏感层，不仅可以对关节弯曲行为和桡动脉脉搏产生稳定的响应，并且对应的突触可塑性行为可以被成功模拟，其中ICE的电导变化通过 MXene 突触转换为塑性电流也有助于提高信噪比。随后结合模拟几何形变、离子迁移理论以及MXene人工突触器件的导电机理对所提出的仿生ANS器件的物理机制进行了理论分析。此外，通过 “试错学习”法模拟了经典的“操作性条件反射行为”，实现了从短期记忆到长期记忆的实现过程。显示了其对真实刺激产生可塑性神经冲动的强大能力，从而赋予器件实现拟人感觉。该研究以“A biomimetic afferent nervous system based on the flexible artificial synapse”为题发表在国际权威期刊《Nano Energy》上，南开大学博士研究生王开洋为本文第一作者。
图1：生物传入神经系统和人工传入神经系统示意图。
图2：两种MXene人工突触以及ANS器件的基本电学特性。(a) MXene人工突触的结构示意图。(b)-(d) MXene纳米片的HRTEM图像。MXene@ITO的(e) I-V特性，(f)开启电压以及电流统计，(g) 高低电阻统计分布，(h) 温度依赖性测试。MXene@PET人工突触的(i) I-V特性，(j) 开启电压以及电流统计，(k) 弯曲耐久性测试，(l) 弯曲后的保持特性。(m) 人工突触悬空后，ICE层的电流稳定性测试。(n) 人工突触以0.5 V偏置后，ICE层的电流稳定性测试。(o) 人工突触悬空后，ICE以及MXene层的离子迁移示意图。(p) 人工突触以0.5 V偏置后，ICE以及MXene层的离子迁移示意图。
图3：ANS器件的触觉响应测试以及相应的可塑性突触电流变化率的统计。(a)，(b) 点击测试。(c)，(d) 滑动测试。(e)，(f) 触觉测试。(g)，(h) 抓握测试。(i)，(j) 夹取测试。(k)，(l) 弯曲测试。(m)，(n) 阵列的抓握测试。(o)，(p) 桡动脉脉搏测试。
图4：ANS器件的物理机制探究。(a)-(e) ICE层表面和侧面的光学以及SEM图像。(f)-(i) 多孔结构的ICE层在不同方向外力作用下的横截面受力分析模拟。(j)-(m) ICE层的单一孔洞在不同方向外力作用下的横截面受力分析模拟。(n)，(o) 有无压力时ICE层内部EMIM+和BF4-的离子迁移的示意图。(p) ICE层的等效电路图。(q)-(t) 不同温度下，ANS器件的电流响应曲线。(u) 不同温度下，ANS器件的可塑性突触电流变化率。
图5：(a) 一种基于“试错学习法”的操作性条件反射示意图。(b)，(c) ANS器件在压力和温度联合刺激下的后突触电流响应测试，实现了从短期记忆到长期记忆的过程。
【小结】
本工作提出的一种低功耗、小型化的柔性ANS器件，并在人工突触和真实的外部刺激之间建立了联系。该器件成功模拟了真实外部刺激触发的神经响应行为，且模拟操作性条件反射的出色表现使其成为触觉神经形态芯片和人工智能机器人中的有力候选者，为神经形态芯片在触觉和感觉学习中提供了更多的可能。
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