在神經(jīng)元中，離子（如 Na?、Ca2?）的流動構(gòu)成了大腦處理信息的“信號語言”——它們穿越細胞膜，引發(fā)神經(jīng)元的興奮與響應，實現(xiàn)感知和記憶。正因如此，模擬這種“離子驅(qū)動”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)能同時具備感知功能和信息留存能力的器件，對于類腦計算、智能機器人、生物接口、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域具有重大意義。然而，水中豐富的可移動離子也帶來了根本性的挑戰(zhàn)：它們會在納米尺度上迅速屏蔽電場，形成所謂的 Debye 屏蔽效應。這不僅限制了離子的響應速度，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)計的靈活性。
圖1 基于VO2-In材料體系的無偏壓離子憶感器
在此背景下，北京大學集成電路學院/集成電路高精尖創(chuàng)新中心唐克超研究員團隊聯(lián)合美國加州大學伯克利分校團隊，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，在 Debye 長度范圍內(nèi)驅(qū)動 In3?注入 VO2表層，誘導 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狀態(tài)。該研究不僅實現(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航中的潛力。通過將多個憶感器加裝于小船底部，團隊實現(xiàn)了類似秀麗隱桿線蟲（C. elegans）的基于“鹽歷史記憶”的化學導航行為，為水下機器人與環(huán)境智能交互提供了全新的低功耗解決方案（圖2）。
圖2 利用憶感器的可塑性實現(xiàn)自適應水上導航
這項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算提供新的器件基礎(chǔ)，也為水下機器人、環(huán)境監(jiān)測、生物接口等領(lǐng)域帶來了全新的設(shè)計思路。未來，借助憶感器對刺激歷史的記錄與適應特性，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)，推動仿生電子學與神經(jīng)機器人技術(shù)的深度融合。
相關(guān)研究成果以“Mem-sensing by surface ion migration within Debye length”為題發(fā)表于材料學頂級期刊Nature Materials，北京大學唐克超研究員和加州大學伯克利分校Junqiao Wu（吳軍橋）教授為共同通訊作者。研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金面上項目的資助，并得到了微納電子器件與集成技術(shù)全國重點實驗室、集成電路高精尖創(chuàng)新中心、國家集成電路產(chǎn)教融合創(chuàng)新平臺等基地平臺支持。
