今日份文獻分享是山東大學郝京誠團隊和劉亞慶團隊發表于《Adv. Funct. Mater.》的題為《A Mechanically Durable Hydrogel Synapse》的文章

Part.1/研究背景

具有整合神經形態功能和機械變形能力的可拉伸人工突觸在新興領域顯示出巨大的應用前景。但由于在機械變形和損傷條件下模擬突觸功能的器件原理的限制，開發具有內在可拉伸性和抵抗物理損傷的人工突觸仍然具有挑戰性。

Part.2/研究思路

作者通過設計一種基于水凝膠的機械耐久性人工突觸，結合刺激響應性超分子組裝和自修復聚合物網絡，利用Fe?O?納米顆粒的光熱效應，將近紅外光脈沖轉化為熱能，觸發超分子解組裝并釋放離子以調控電導率，模擬生物突觸的可塑性。通過并聯兩個突觸器件，作者構建了光調控的機器人運動反饋系統，成功模擬巴甫洛夫條件反射，展示了在極端機械條件下的穩定信息處理能力，為柔性神經形態器件提供了新思路（圖 1）。

圖1. 機械耐久性水凝膠突觸的示意圖

Part.3/研究內容

光調控的離子導電水凝膠

作者設計了基于萘的咪唑（NAPIM）鹽，其在室溫下自組裝成納米纖維并形成超分子水凝膠（圖 2a、b）。接著通過流變學測試、紅外光譜、1H NMR等手段，證實了其組裝過程是由酰胺基團間的氫鍵和萘環間的π–π堆積作用驅動。NAPIM超分子水凝膠升溫會崩解為溶液，變溫流變學測試表明溫度依賴的溶液-凝膠轉變具有可重復性和可逆性，此過程中離子超分子聚集體解離釋放可移動離子，增加NAPIM超分子水凝膠電導率，如20-40 ℃相對阻抗降低，降溫后因離子重新組裝而恢復（圖 2c），溫度控制的動態組裝為響應性離子電導率提供有效策略，該過程能可逆重復至少10次，且即便受到強力攪拌機械破壞，NAPIM超分子組裝仍能穩定切換電導率，表明其電導率切換特性在復雜條件下能有效發揮作用。

本研究通過動態胺鍵交聯（PAAm-co-PDAAm）和己二酸二酰肼成功制備了具有機械耐久性的自修復水凝膠（圖 2d），其共價交聯網絡賦予其優異的拉伸性，動態共價鍵實現室溫下90%機械強度恢復的自修復能力（圖 2e、f）。通過整合NAPIM超分子組裝體、Fe?O? NPs和PAAm-co-PDAAm網絡，作者開發出了兼具光學調制離子電導率和機械耐久性的雜化水凝膠（圖 2g、h），其中聚合物網絡和Fe?O? NPs的引入不影響NAPIM的溫度響應性組裝行為（圖 2j），使可逆電導率切換可重復至少10次。Fe?O? NPs的光熱效應（圖 2i、k）實現了近紅外光（808 nm）非接觸調控：光熱轉換導致溫度升高，誘導NAPIM聚集體解離釋放離子增強電導；光刺激移除后溫度恢復促使離子重組裝、電導率復原。這種光信號輸入-電導率輸出的調控策略有效模擬了生物突觸的信息處理功能。

圖2. 雜化水凝膠的光學調制離子電導率

機械耐用的基于水凝膠的突觸裝置

本研究成功模擬了生物突觸的關鍵功能特性（圖 3a）：通過光脈沖模擬動作電位刺激水凝膠，其電導率變化再現了生物突觸的膜電位調控機制。具體表現為：（1）單個光脈沖引發NAPIM超分子聚集體部分解離，導致電導率增加（模擬EPSP），并在脈沖移除后通過離子重組裝恢復初始值（圖 3b）；（2）間隔500 ms的雙脈沖刺激呈現明顯的成對脈沖易化（PPF）效應（圖 3c），第二脈沖響應增強；（3）脈沖間隔（Δt）與電導變化差異（ΔG）符合雙指數衰減關系（圖 3d），與生物突觸的可塑性特征高度一致。這些結果證實該水凝膠系統能有效模擬突觸可塑性的核心機制。

本研究通過定義突觸權重SW=(Gn-G0)/G0×100%（圖 3e）成功模擬了生物突觸可塑性機制：（1）10個1.0 Hz光脈沖可逆地提升突觸權重，展現短時程可塑性特征；（2）當施加不同時間間隔的脈沖序列時，短間隔脈沖序列引發更顯著的突觸重量變化，證實尖峰速率依賴性可塑性（SRDP）（圖 3f）；（3）增加脈沖數量可階梯式提升突觸權重，實現脈沖時序依賴可塑性（SNDP）（圖 3g）。這些特性表明，該水凝膠能有效將光信號轉換為邏輯電子信號，模擬生物突觸調節信息傳輸。

混合水凝膠因基于響應性組裝過程的電導率切換特性對機械變形耐受性良好，在外部應變下展現光調制的突觸可塑性（圖 4a）。考慮到水凝膠離子電導率和應變誘導形狀變化的關系（圖 4b），定義歸一化突觸權重示水凝膠在x%應變下的相對電導變化。對拉伸的水凝膠突觸施加10個1.0 Hz光脈沖時，不同應變下突觸權重變化趨勢相似（圖 4c），去除光脈沖后，突觸權重逐漸恢復初始水平，這表明水凝膠裝置具有與應變無關的短期突觸可塑性。依賴于在不同應變下的可靠的超分子組裝過程，拉伸的水凝膠可以表現出應變不敏感的突觸可塑性（含突觸增強和自發衰減）。在0%應變施加10個光脈沖改變突觸重量后，其自發衰減不受機械變形影響（圖 4d），再次施加10個光脈沖，不同應變下突觸重量能恢復先前水平。即便處于動態拉伸狀態，基于水凝膠的人工突觸也有一致的突觸性能（圖 4e），不同拉伸速率下，施加10個光脈沖時突觸重量變化趨勢相似。機械變形對該人工突觸可塑性影響小，提升了其作為可拉伸裝置的實用性。

本研究開發的水凝膠突觸器件展現出卓越的損傷耐受性能（圖4f-i）。穿刺測試表明，被金屬/玻璃/木材等尖銳物體刺穿后，其光調制突觸性能與原始狀態無顯著差異，且可耐受10次重復穿刺；獨特的離子導電機制有效避免了金屬穿刺導致的短路失效；自修復網絡使材料在機械損傷后能恢復90%以上的機械強度，且電子功能幾乎不受影響；該器件可同時承受機械變形和物理損傷，在復雜環境下保持穩定的突觸功能，自修復過程可重復10次以上。這些特性使其在柔性電子和可穿戴設備領域具有重要應用價值。

圖3. 水凝膠突觸的光調制突觸特性

圖4. 基于水凝膠的突觸裝置的機械耐久性突觸功能

具有聯想學習能力的光學運動反饋系統

聯想學習是大腦在兩個不相關刺激間建立聯系并產生特定反應的過程，巴甫洛夫的狗實驗是經典示例（圖 5a、b）。研究通過將兩個水凝膠基突觸裝置并聯來模擬聯想學習（圖 5c），用不同強度光脈沖分別代表無條件刺激（US）和條件刺激（CS），跟蹤突觸權重變化展示光調制聯想學習過程。在兩種光刺激之間建立關聯之前，低強度光脈沖（CS）引起突觸重量輕微增加，但不刺激其達到閾值，而高強度光脈沖（US）可增強突觸重量，使其達到產生非條件反應的閾值。訓練時施加兩種光刺激提升突觸權重以促進聯想學習，使CS能單獨觸發突觸權重超過閾值，且兩種刺激的定義可按需調整，基于短期可塑性，CS觸發的條件反射可在記憶水平下降前有效維持（圖 5d）。

作者將兩個水凝膠裝置連接在牛津布上以形成并聯電路，將其連接到LCR計以監測突觸重量的變化。同時，LCR儀表通過Python程序與機器人手連接，一旦突觸權重超過閾值，該程序就會發送命令來管理機器人手的抓取運動。訓練過程（聯合應用CS/US）建立關聯后，單獨CS即可觸發抓取動作；器件展現卓越的機械耐久性-在穿刺或彎曲狀態下仍保持關聯學習能力；通過半導體冷卻器可實現關聯重置，建立新的CS-US關聯。這些結果表明，機械耐久性和電子功能通過基于超分子的方法有效地集成在水凝膠材料中，這使得突觸裝置能夠表現出可以在極端情況下操作的光學介導的神經形態功能，為開發適用于極端環境的智能機器人系統提供了新思路（圖 5e-g）。

圖5. 具有相關學習能力光學調制運動反饋系統

Part.4/總結與展望

本文將離子超分子組裝體與動態共價聚合物網絡整合于水凝膠系統，設計出機械耐用的人工突觸。它能在機械變形和損傷時執行生物啟發的信息處理功能，還賦予機器人系統光學介導的關聯學習能力來調節運動反饋。與傳統構建可拉伸電子器件的策略不同，該人工突觸基于響應超分子組裝過程實現離子電導率切換，可在多種工作場景下正常運行，為在先進軟材料中設計機械耐用的信息處理功能提供新思路。

https://doi.org/10.1002/adfm.202505232

DOI

10.1002/adfm.202505232

來源： TheDream Group 則君課題組