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  生物智能產生于對外界信息的快速感知、聯想學習和長期記憶，這些過程從根本上由離子的選擇性傳輸和動態弛豫控制。受生物系統和結構的啟發，合成柔性離子材料，如水凝膠和離子凝膠，已經實現了仿生皮膚的感知功能。然而，對于高階功能（如學習和記憶）的能力仍然缺乏。

  東華大學武培怡/雷周玥團隊提出了一種具有自適應離子雙層（IDL）界面的雙層離子凝膠，其IDL由陽離子-π相互作用形成，可以調節離子的快速響應和慢弛豫動力學。快速的離子響應和傳輸使其具有感知和學習功能，而緩慢的離子松弛支持長期記憶。

圖1. 基于陽離子-π相互作用和IDL的雙層離子凝膠設計

  離子凝膠設計的靈感來源于生物感覺神經系統的細胞膜門控結構。疏水且環境穩定的[EMIM]⁺ [TFSI]^-離子液體作為主要離子載體。陽離子聚丙烯酸酯塊體（CPB）和中性聚丙烯酸酯塊體（NPB）組成雙層結構，兩層之間形成Janus結構的IDL。其中，NPB的陽離子和陰離子的傳輸速率相似，比CPB中的陰離子輸運速率慢，而比CPB中的陽離子輸運速率快。

圖2. 雙層離子凝膠的聯想學習功能

  雙層離子凝膠展現出非線性整流效應，并表現出類似于在生物神經系統中的突觸短期可塑性（STP）。還可通過正向與反向脈沖，對離子凝膠實現不同的信息寫入和擦除狀態。同時，雙層離子凝膠能夠模擬經典的巴甫洛夫條件反射。這種學習行為是由每次刺激后緩慢離子松弛的累積形成。緩慢的松弛保留了先前刺激的狀態，使離子凝膠能夠保留過去的學習經驗。

圖3. 雙層離子凝膠的聯想學習行為

  雙層離子凝膠對時間序列和間隔也具有進行編碼和處理的能力。當施加由不同頻率的正尖峰訓練組成的刺激時，電信號響應隨頻率的變化而變化，可以產生不同的反應模式。值得注意的是，正向刺激和反向刺激的出現順序，也顯著影響離子凝膠的記憶曲線。反向刺激發生得越晚，記憶曲線衰減越快。

圖4. 雙層離子凝膠的多模態記憶

  雙層離子凝膠根據不同的訓練次數和持續時間，從感覺記憶到短期記憶（STM）到長期記憶（LTM）的轉換能夠實現不同模式信息的編碼、存儲及檢索功能。當訓練時間從50秒增加到500秒時，雙層離子凝膠展現出從STM到LTM的轉變。此外，對于相同的總訓練時長，多次訓練（5組100 秒）的記憶效果也優于單次訓練效果（500 秒）。這種功能類似于人類大腦反復學習后的記憶強化。此外，通過 STM 與LTM 轉換模式與訓練，凝膠陣列也展現出圖案記憶、動態存儲和信息加密的潛力。

圖5. 離子凝膠整合信息感知、學習和記憶功能

  雙層離子凝膠基于其感知和、學習和記憶功能，可以控制機械臂產生類似捕蠅草的智能決策。捕蠅草對于單次刺激是沒有反應的，只有對多次連續刺激，才會判斷為有活物接觸從而觸發葉片關閉。這是一種低能耗的生物智能決策。而離子凝膠也可以實現類似的自主決策功能。對于低頻按壓無響應，高頻按壓觸發響應并控制機械臂抓住小球，高頻持續按壓則控制機械臂進行抓取和旋轉。

  本研究通過引入IDL界面，雙層離子凝膠實現了感知、學習、記憶和自主決策功能的集成，同時開辟了在凝膠類材料中實現電信號處理和調制功能的途徑。

  上述研究成果以“Bioinspired learning and memory in ionogels through fast response and slow relaxation dynamics of ions“為題在線發表于期刊《Nature Communications》上。該研究工作由東華大學完成，東華大學化學與化工學院博士研究生周寧為論文第一作者，東華大學雷周玥研究員和武培怡教授為論文通訊作者。感謝國家自然科學基金委（52433003和22305033）和中央高校基本科研業務費專項資金資助（2232024A-05）對該工作的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-59944-3