基于纳米流体忆阻器的仿生突触记忆效应研究获重要进展

2025/12/30 11:31:15 19788: 来源：中国科学院近代物理研究所

摘要：中国科学院近代物理研究所团队与兰州大学合作，通过二价离子筛选效应和pH 驱动的去质子化作用两种不同的刺激机制——成功证实了仿生纳米通道中的忆阻效应，为揭示大脑记忆机制及发展新型神经形态计算提供了重要的实验依据。

　　【仪表网研发快讯】人类的学习和记忆能力，源于大脑神经元之间高度动态的连接结构—— 神经突触。这些比发丝还细的结构，像智能开关般传递信号、动态重塑，从而实现对信息的编码、存储与提取，成为实现认知与行为适应的生物学基础。

　　在生物神经系统中，突触作为天然的忆阻器，依赖于纳米通道中离子与神经递质的可控传输，从而实现信息处理与存储。大脑之所以能以极低的能耗完成复杂计算，关键在于突触的可塑性---即其连接强度可根据活动经验进行动态调节。在液相系统中通过可控制造重现这一效应对于研究神经网络功能，以及推动脑机接口、生物神经形态计算的发展至关重要。

　　中国科学院近代物理研究所团队与兰州大学合作，通过二价离子筛选效应和pH 驱动的去质子化作用两种不同的刺激机制——成功证实了仿生纳米通道中的忆阻效应，为揭示大脑记忆机制及发展新型神经形态计算提供了重要的实验依据。相关成果于12月24日发表在《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。

　　研究团队基于微束单离子微纳加工技术，制备出仿生纳米孔道，在两种机制的作用下，纳米孔道中的传输对称性破缺与表面效应协同作用导致离子传输呈现滞后特性。该纳米流体忆阻器还模拟了生物记忆特征，包括短期/长期增强效应以及关键突触功能，如双脉冲易化和双脉冲抑制。

　　基于对纳米流体器件中离子电导率的可逆调控，研究人员实现了突触权重的动态编码---这正是神经形态系统中自适应学习行为的核心机制。为验证其应用潜力，团队利用该器件构建了一个用于模式识别的三层人工神经网络，并在小型手写数字数据集(MNIST)上进行训练测试，识别准确率达到 94.6%，性能可与众多固态忆阻突触相媲美。

　　该论文第一作者为中国科学院近代物理研究所博士研究生Muhammad Jahangeer，通讯作者为中国科学院近代物理研究所杜广华研究员与兰州大学王琦教授。

　　该研究工作得到科技部、国家自然科学基金及中国科学院大学奖学金等支持。