KAUST Sahika Inal/王亚洲 Nat. Commun.: 有机离电导体新进展-基于单组分n型混合导体的光电化学突触

2025-02-16 来源：高分子科技

来自阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究团队近日在《自然·通讯》（Nature Communications）发表了一项重大突破，成功研制出一种基于单组分 n 型有机混合离子-电子导体（OMIEC）的光电化学突触。这一创新性器件能够在水溶液环境中工作，具备多光谱视觉信息感知与处理能力，为人工视觉系统、智能传感器和神经形态计算领域带来了重要进展。

突破传统，打造类生物视觉系统

视觉系统是生物感知外界信息的主要方式，而传统的人工视觉设备大多依赖无机材料，缺乏柔性、生物相容性，并且需要额外的电路元件来感应光信号。KAUST团队成功开发了一种全新的n 型 OMIEC 材料，该材料不仅能够在紫外、可见光和近红外范围内感知光信号，还能同时响应电信号，与人类视觉系统的多模态信息处理方式类似。

创新材料：p(C2F-z) 赋能高效光电突触

研究人员设计并合成了一种含有氟化内酯和双噻唑的共聚物（p(C2F-z)），它通过绿色 Aldol 聚合反应制备而成。该材料兼具高电子迁移率（1.04 cm2V?1s?1），在低于1 V 的工作电压下即可实现高效的离子掺杂，使其成为低功耗神经形态器件的理想候选材料。

光电协同驱动，实现突触可塑性

该光电化学突触不仅能够响应光刺激，还能通过电信号调节突触权重，实现短时记忆（STP）向长时记忆（LTP）的转变，从而模拟大脑的学习机制。此外，该器件可在不同波长的光刺激下产生不同强度的突触响应，为未来多光谱人工视觉系统奠定了基础。

突触功能与贴合皮肤形态

研究团队能够模仿人脑的突触功能并显示出出色的生物相容性。该设备可以复制短期和长期记忆过程，甚至可以使用不同波长的光模拟条件反射的联想学习，以及进行多光谱的AND 以及Or逻辑操作。此外，该设备的柔性形态使其能够贴合人类皮肤，具有在人工视网膜和光疗方面的应用潜力。初步测试显示，该材料表现出微不足道的细胞毒性，并在贴合皮肤时具有稳定的光电化学特性。

高性能 8 × 8 突触阵列，实现图像识别

研究团队进一步将该突触器件集成至8 × 8 有机电化学晶体管（OECT）阵列，用于图像识别和存储。在实验中，该阵列成功识别并记忆了“KA”字母图案，并在光刺激停止后仍能保留部分记忆信息，展现出自适应感知与记忆存储能力。此外，该器件还在事件驱动的传感计算（reservoir computing）和全彩图像处理任务中表现出色，能够有效提取颜色信息并进行降噪处理。

仿生运动感知，实现智能视觉

除了光刺激，该突触器件还能响应高频电信号，模拟生物视网膜中的渐变神经元（graded eurons），实现对运动信息的编码。研究人员利用该器件成功开发了一种运动识别系统，能够准确识别物体的运动方向和速度，并在机器视觉任务中取得了高达92.5% 的识别准确率，远超传统图像传感器（22.4%）。

未来展望：神经形态计算与生物电子学的新纪元

这一研究成果不仅为神经形态计算（Neuromorphic computing）和人工视觉系统的开发提供了新的材料平台，也展示了柔性电子、生物相容性智能设备的巨大潜力。未来，该技术有望应用于类人视觉传感器、智能义眼、脑机接口等前沿领域，推动下一代人工智能和生物电子学的发展。

KAUST研究团队的Sahika Inal教授和王亚洲博士后研究员表示：“我们的研究突破了传统光电突触的局限性，实现了一种可在水溶液中稳定运行的单组分光电化学突触，为人工视觉系统和神经形态电子学带来了全新的可能性。”
这项研究得到了卜杜拉国王科技大学（KAUST）、中国中山大学、南京邮电大学等机构的支持，标志着神经仿生电子学领域的又一重要进展。

论文信息：
论文标题：《基于单组分 n 型混合导体的光电化学突触》（An optoelectrochemical synapse based on a single-component n-type mixed conductor）
发表期刊：《自然·通讯》（Nature Communications）
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56814-w

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（责任编辑：xu）

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