与人工智能不同，生物智能采用离子作为信号载体，以神经突触和神经元为大脑的基本功能单元。通过化学神经递质和离子通道，生物智能可以实现各种生理过程。这种计算机制使得人脑能够迅速处理复杂的非线性问题，展现出卓越的性能。离子电子学利用多种离子作为信号载体，能够携带丰富的生物兼容性信息，可直接在非生物与生物系统之间实现多种离子信号与电信号的转换，有望打破非生物界面与生物界面之间的信息壁垒，在神经修复、脑机接口及混合人工智能等领域展现出广阔的应用潜力。然而，如何在与生物突触动作电位相近的低工作电压下实现仿生突触的关键特性、并实现晶圆级制造，仍是一大挑战。

图1：离子电子学仿生神经突触器件与生物神经系统相交互实现混合智能系统

针对离子电子学仿生神经突触器件现存的挑战，北京大学集成电路学院/微米纳米加工技术全国重点实验室/集成电路高精尖创新中心王玮教授团队首次提出了一种新型仿生神经突触器件，该器件能同时实现晶圆级制造、生物兼容性、低工作电压、多种信号载流子、静电屏蔽和多级电导连续可调等特点。

通过设计纳米限域空间的几何形态，两种不互溶的电解质溶液在漏斗形纳米沟道的尖端形成了液/液界面，实现了生物膜的简单模型。液/液界面独特的离子传输特性成功实现了具有记忆效应的非对称多种离子传输。该器件不仅基于MEMS技术、可实现晶圆级制造，还能在超低工作电压（200 mV）下实现离子记忆效应，与生物神经元的动作电位（约 110 mV）相匹配。此外，该器件的信号载体与生物系统相似，能实现电化学信号转导和基于多种信号载流子的多级电导连续可调，可用于模拟生物突触功能，如短期增强（STP）和短期抑制（STD），并可进一步模拟脉冲时间依赖可塑性（STDP）和脉冲频率依赖可塑性（SRDP）。这项工作为在低工作电压下实现离子电子学神经形态功能以及与生物智能的交互奠定了理论与硬件基础。

图2：漏斗形纳米沟道器件模拟神经形态功能

相关成果以“Artificial funnel nanochannel device emulates synaptic behavior”为题，发表在《Nano Letters》上。

论文链接：

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c05079

北京大学集成电路学院2023级博士研究生李沛玥、化学与分子工程学院博士后刘俊杰为共同第一作者，集成电路学院博雅博士后张盼、王玮教授为通讯作者，武汉理工大学理学院特岗教授袁俊辉老师为本项目提供神经形态应用方面的支持。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金的支持。