勇于冒險 甘于艱苦 樂于和諧

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? ? ? ?生物神經網絡以離子為信息載體，通過動態調控離子傳輸實現高效、低功耗的信息處理，這一機制為突破傳統電子器件的局限提供了全新思路。傳統神經形態器件依賴電子傳輸，存在調控多樣性不足、能耗高、生物兼容性差等問題，且難以模擬生物系統的復雜連接性（如突觸外耦合效應）。離子神經形態器件通過模擬生物離子傳輸機制，為構建類腦智能系統開辟了新路徑。近期，南方科技大學肖凱團隊在這一領域取得了系列進展，相關成果分別發表在《Advanced Materials》、《Advanced Functional Materials》和《ACS Nano》。 ? 1.基于離子限域傳輸的仿生視網膜 ? ? ? ?在這項研究中，我們成功開發了具有抑制與興奮功能的人工突觸并構建了一種離子基仿生視網膜。該研究通過精細調控離子水凝膠的結構來限制離子傳輸，使得人工突觸器件僅在光輸入的情況下，實現了對光信號的正、負調控。其中，器件結構設計巧妙：稀疏的水凝膠底層形成抑制性突觸，有效削弱噪聲信號；而較致密的底層水凝膠層則形成興奮性突觸，用于增強信號。通過設計并集成抑制型與興奮型器件，該仿生視網膜展現出多樣的視覺處理能力，如邊緣檢測、噪聲抑制和運動分析等。此外，這些器件還能支持機器人車輛的路徑規劃，實現更智能的視覺感知。本研究通過精確調控離子傳輸，為仿生視網膜的構建提供了一種創新方案，使其在功能上更接近于生物視網膜，進一步推動了神經形態視覺系統的發展。該研究以題為“Bio-Inspired Retina by Regulating Ion-Confined Transport in Hydrogels”的論文發表在最新一期《Advanced Materials》上。肖凱副教授（南方科技大學），王瑞兵教授（澳門大學），劉泉影助理教授（南方科技大學）和王力博士（已于今年2月份入職南京工業大學）共同擔任通訊作者，澳門大學和南方科技大學聯培的博士生張紅杰為論文第一作者，南方科技大學碩士研究生王淞為共同第一作者。原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202500809 ? 2.用于自供電觸覺-視覺融合感知的仿生離子水凝膠突觸 ? ? ? ?在這項工作中，我們提出了一種無縫集成了多模態傳感和突觸特性的離子水凝膠器件，為自供電的觸覺-視覺融合感知創造了一個簡化的架構。該研究通過雙層不對稱水凝膠中的壓電離子和離子熱擴散效應精確控制離子傳輸，實現了自驅動多模態傳感。其中離子弛豫效應是由陰離子和陽離子之間的不同遷移率引起的，成功了模擬包括短期和長期可塑性在內的突觸特性。因此，僅此設備就構成了一個自供電的觸覺視覺感知融合系統，其信號通路類似于皮膚和視網膜的信號通路，能夠賦予機械臂智能抓取能力和類似于人類避險的反射行為。這項工作突破了傳統多模態系統依賴分立元件和外部供能的局限，為開發面向類人機器人感知系統與智能人機交互界面的神經形態器件提供了新范式。該研究以題為“A biomimetic ionic hydrogel synapse for self-powered tactile-visual fusion perception”的論文發表在最新一期《Advanced Functional Materials》上。本論文以南方科技大學為第一單位，肖凱副教授、張明明副教授、王力博士后（已于今年2月份入職南京工業大學）為共同通訊作者，碩士研究生吳婕為論文第一作者。原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202500048 ? 3.超低功耗離子凝膠納米纖維人工突觸中的突觸外耦合效應與工作記憶增強 ? ? ? ?在這項工作中，我們提出了一種基于雙層異質離子凝膠納米纖維網絡的仿生突觸器件，借助其充放電過程中離子電勢弛豫行為模仿突觸的脈沖放電功能，實現了離子神經形態器件陣列化構筑，并用于低能耗類腦計算。該結構通過選擇性離子捕獲與非對稱遷移機制，復現生物突觸可塑性，能耗僅為6 fJ，與生物突觸能效相當。基于離子短期記憶與非線性構建的儲備池計算系統，在MNIST手寫數字識別中實現了88%的準確率，展現了離子在邊緣計算的高效性。更重要的是，利用離子獨有的全局共享特性，在器件陣列上驗證了類似生物神經元的突觸外耦合效應，在n-back工作記憶任務中達成94%以上的類腦級精度，為構建高能效、高復雜度的類腦智能系統開辟了新路徑。該研究以題為“Ephaptic Coupling in Ultralow-Power Ion-Gel Nanofiber Artificial Synapses for Enhanced Working Memory”的論文發表在最新一期《Advanced Materials》上。本論文以南方科技大學為第一單位，肖凱副教授、劉泉影助理教授、王力博士后（已于今年2月份入職南京工業大學）為共同通訊作者，碩士研究生陳遠夏為論文第一作者。原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202419013 ? 4.納米流體易失型閾值轉變離子憶阻器：展望 ? ? ? ?易失型閾值轉變憶阻器和泄露積分發放是模仿大腦脈沖發放的經典模型。相較于已存在的三種電子易失型閾值轉變憶阻器，目前尚未有被實驗實現的納米流體易失型閾值轉變離子憶阻器。考慮到其低功耗、作為信號和物質載體的雙重作用、離子/分子多樣性、生物相容性等特點，納米流體易失型閾值轉變離子憶阻器具有巨大潛力并亟待實驗上的證明。同時，在與生物體系交互過程中，離子器件由于其獨特的載流子和工作環境，可以在生物環境和非生物環境之間建立高生物相容性和高可靠性的界面以實現準確高效的雙向信息傳輸，該特性可以補充傳統電子器件由于其剛性、不可形變和平面結構的特點在生物交互上的不足。基于此，我們提出了三種可能實現納米流體易失型閾值轉變離子憶阻器的策略，并希望進一步實現納米流體離子器件電路的搭建。該展望以題為“Nanofluidic Volatile Threshold Switching Ionic Memristor: A Perspective”的論文發表在最新一期《ACS Nano》上。本論文以南方科技大學為第一單位，肖凱副教授為通訊作者，科研助理張米良為論文第一作者，徐國恒博士后為共同第一作者。原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c17760 ? 文字：張紅杰、吳婕、陳遠夏、張米良 ? ? 課題組介紹： ? ? ? ?肖凱副教授課題組長期招聘研究助理教授、博士后、科研助理和交流學生。課題組自2021年9月成立，圍繞“神經仿生材料”“類腦計算器件”“神經調控技術”開展多學科交叉研究。課題組成員以南科大為第一單位在Nat. Commun., Sci. Adv., Adv. Mater., Angew等雜志發表多篇文章，課題組多位博士后成員獲批國自然青年基金、博士后海外引才專項基金等。具體信息見課題組網站：http://www.xiaokai-group.cn/? ? ? ? ?招聘科研背景要求：1. 材料化學：具有電化學、無機納米材料制備、離子導電聚合物、凝膠材料、膠體界面化學等研究背景者優先。2. 器件制備：具有生物電子/柔性電子器件、微納電子器件、微納流體器件、神經擬態器件、可穿戴器件、智能傳感器件、清潔能源器件等研究背景者優先。3. 生物信號調控及神經計算：具有神經工程、細胞/生物電生理調控、神經計算等研究背景者優先。有意者直接和肖凱老師聯系：xiaok3@sustech.edu.cn

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? ? ? ?為加強實驗室安全管理，生醫工系主任蔣興宇教授于11月1日對課題組實驗室和辦公室開展安全檢查，重點對實驗室電氣使用、化學試劑存放及作業環境進行了隱患排查。 ? ? ? ?實驗室電氣插線板的安全使用是電氣安全隱患重點關注對象，蔣老師對組里插線板進行了全面檢查，嚴厲禁止插線板置于地面、插線板串接、插線板功率過載，并指定學生對插座連接口松脫現象進行了全面排查和整改，杜絕安全隱患。 ? ? ? ?化學試劑存放管理是化學品全流程管理的重點，蔣主任對課題組化學品存放進行了全面檢查。點對點要求學生做好化學品存放整改，不要將玻璃瓶裝試劑放置在實驗臺架上，防止玻璃瓶掉落。同時要求各位同學對自配試劑做好標簽，管制類化學品存放于管制品柜中并上鎖管理。 ? ? ? ?其他隱患排查還覆蓋特種設備安全、激光使用安全、病原微生物實驗室管理、動物實驗安全管理、實驗室照明等。本次檢查覆蓋面廣，檢查內容全面，整改要求及時到位，對組內實驗室辦公室安全起到較大的督促警示作用。   ? 采寫：鄧丹丹

? ? ? ?近日，南方科技大學生物醫學工程系肖凱課題組在學術期刊Nature?Communications上發表了題為“A nanofluidic chemoelectrical generator with enhanced energy harvesting by ion-electron Coulomb drag”的文章。生物系統通常依靠離子或者分子進行信息傳輸以及能量的交換和存儲，而當前的信息技術依賴于電子的傳輸。雖然后者響應速度快，傳輸效率高，但磁場、高溫和高濕等極端工作環境嚴重限制了電子器件的使用環境；與此同時，集成電路正在接近基于馮·諾依曼計算架構的摩爾定律的極限。近年來，受到生物系統的啟發，基于離子-電子的耦合器件表現出優異的適應性、機械柔韌性和類生物特性，使它們成為先進智能電子設備和生物智能之間溝通的潛在橋梁。 ? ? ? ?離子-電子耦合通常發生在液體和固體界面之間。通常，耦合過程可以分為三種基本類型：雙電層 （electric double layer，EDL） 電容過程；電化學氧化還原反應過程，以及贗電容過程。不同于上述被廣泛研究和應用的離子-電子耦合過程，本文提出 “離子-電子”庫倫拖拽效應，可實現離子電流和電子電流的直接交互和轉換。庫倫拖拽效應是指兩個空間相近但彼此絕緣的導電層構成了電雙層結構，在其中一層施加驅動電流會在另一層誘導產生開路電壓，即產生層間拖拽效應。“離子-電子”庫倫拖拽效應基于納米流體內離子傳輸和半導體中電子傳輸的互相作用，進而實現離子-電子的耦合過程。具體來說，在納米尺度下的離子移動行為可以誘導半導體中的自由電子移動，基于這一機制，本工作開發了一種納米流體化學發電機。如圖1所示，碳納米管膜內的納米離子流體由金屬和氧氣之間的自發氧化還原反應驅動。由于納米離子流體中離子和空穴之間巨大的質量差距（105?to 106），基于動量守恒定律，大量的自由電子在碳納米管膜中產生，進而實現了1.2 mA/cm2的放大電流。與此同時，單個納米流體化學發電機單元可以產生~0.8 V的電壓，并具有高達數十伏的線性可擴展性能。 圖1. NCEG原理圖及電輸出特性：(a) NCEG的結構示意圖：一個高度排列的多孔CNTM夾在一對金屬電極之間，這對金屬電極分別是金箔和含有鋁襯底的導電碳帶；(b) CNTM的形貌以及襯底AAO膜的XPS表征；(c)離子沿CNTM運動與CNTM中的自由電子被拖拽的離子庫侖拖拽效應示意圖；(d) NCEG在0.1 M NaCl電解液中產生的開路電壓和短路電流密度。   ? ? ? ?眾所周知，智能生物是基于離子定向流動（細胞上蛋白質通道控制離子輸運）形成的電勢信號（動作電位）進行信號的傳遞和信息的交互；和智能生物不同，固態電子器件是基于電勢驅動的電子流動盡心信號的傳輸，如何構筑離子-電子信號交互體系進而實現生物-器件（腦-機）無障礙交互是未來人機交互愿景中最基本的科學問題。本工作報道的基于庫倫拖拽效應的離子-電子耦合過程可實現“離子電流-電子電流”直接交互，有望搭建起電子信息和生物信息交流的新型高速通道。 ? ? ? ?南方科技大學為本論文第一單位，溫州大學聯合培養碩士生蔣義沙為論文第一作者，南科大生物醫學工程系2022級博士生劉文超為論文共同第一作者，南科大王濤博士、云南大學王毓德教授、溫州大學劉楠楠教授和南方科技大學副教授肖凱為論文通訊作者。本工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、廣東省重點實驗室項目和深圳市科技創新委員會的支持。 ? ? ? ?原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-52892-4   ? ? ? ?肖凱教授課題組（“神經仿生材料與器件”實驗室）長期招聘博士后、科研助理和交流學生。課題組主要圍繞“神經仿生材料、類腦計算器件、神經調控技術”開展化學、材料、電子、生物等多學科交叉研究，自2021年成立以來，課題組自主培養的學生以南科大為第一單位在Nat. Commun., Sci. Adv.,?Angew. Chem.,等雜志發表文章20余篇，課題組多位成員獲批國自然面上項目（2項）、青年基金項目（3項）、博士后海外引才專項基金等。詳細信息見課題組網站：http://www.xiaokai-group.cn/。

? ? ? ?在機器人輔助的下肢運動康復訓練中，如何使外骨骼實時識別地形的變化并實現精準步態輔助？近日, 由南方科技大學生物醫學工程系張明明副教授指導的本科生與碩士生，以共同第一作者身份在國際TOP期刊IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics發表了研究論文 “Predicting Continuous Locomotion Modes via Multidimensional Feature Learning from sEMG”。該研究提出一個針對人體步態意圖預測的算法框架，獲得了連續步態預測與生活化地形遷移能力。該論文共同第一的兩位作者（本科生、研究生）分別獲得美國馬里蘭大學帕克分校和英國愛丁堡大學的全額獎學金博士項目資助。 ? ? ? ?為實現對人體下肢的運動意圖預測，提高下肢外骨骼在不同地形下的步態輔助控制策略的適應性。本團隊提出了一種基于表面肌電（sEMG）信號的多維特征學習模型，通過端對端自動提取并學習時-空-頻三個維度的sEMG信號特征，建立與下肢動作的映射關系，實現了連續步態意圖預測。此外，研究提出的Adaptive Voting方法，在連續數據窗的預測結果中捕捉步態變化趨勢，有效減少了預測結果中的擾動。本研究通過步態預測精度與提前預測時間進行了模型性能評估。 ? ? ? ?本研究探究了9種連續步態的預測（站立，跨越障礙，平地行走，上樓梯，下樓梯，上坡，下坡，側跨步，后退步），其中涉及15個步態切換。通過12位被試者的研究數據驗證表明，本方法有效提升了步態預測的準確率與魯棒性。提前250ms預測時，Deep-STF+Adaptive Voting 方法獲得95.58%準確率，顯著高于SVM等機器學習方法和CNN等深度學習方法。其中，研究提出的Adaptive Voting方法，結構簡單，易于與各種深度網絡結合，提高了深度學習網絡的預測結果魯棒性。此外，通過不同的數據滑窗策略，本方法實現最優分類精度為96.6%，預測時間為31.47ms；當預測時間延長到371.58ms時，預測精度仍有93.22%。除了實驗室場景的步態實驗，通過小實驗樣本校準，本模型在4個生活化場景的新地形中得到很好的步態預測效果，達到96.27%準確率。 ? ? ? ?本項目獲得國家重點研發計劃項目支持，與天津大學孟琳老師和中科院深圳先進院邰艷龍老師團隊展開項目合作交流。此外，本項目在國家級“大創計劃”中獲準立項。課題小組成員分別為本科生付沛文、張昱陽，熊雯萱以及碩士研究生鐘文娟。經張明明老師與林雨洲博士的指導，不斷探索，團結合作，克服困難，不斷打磨完成研究論文的書寫與發表。 ? ? ? ?在項目末期，團隊成員均獲得了豐富的科研經歷與成果。其中，付沛文和鐘文娟同學分別被馬里蘭大學帕克分校和愛丁堡大學的全獎博士項目錄取，張昱陽同學獲得保研名額并繼續留在本團隊深造，熊雯萱同學已前往新加坡國立大學進行為期兩年的本碩“1+1”課程學習。   南方科技大學腦-機器人康復技術實驗室PI簡介： 張明明，IEEE Senior Member，南方科技大學生物醫學工程系長聘副教授/博士生導師，腦-機器人康復技術實驗室PI。主要研究方向包括康復機器人及力反饋觸覺控制技術、人機物理與神經交互，和基于肌電/腦電信號的智能識別算法等。相關成果以第一或通訊作者身份發表在TFS、TII、TIE、T-Mech、TASE、TIM、TNSRE、RAL、JBHI、TBME、JNE、J NEUROENG REHABIL、J BIOMECH、ICRA/IROS等國際知名期刊或學術會議上，共計100余篇；已申請海內外專利40余項（授權20余項），出版英文專著1本。2019年起，擔任高水平學術期刊IEEE TASE、IEEE TNSRE、IEEE RAL、IEEE TMRB編委等。國際學術報告10余次，包括在2021 IEEE RCAR做題為“任務導向性機器人輔助康復技術”的Keynote Talk等。近5年先后主持國家自然科學基金2項、科技部重點研發計劃青年科學家項目、廣東省杰青等重要課題。