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澳门大学王瑞兵教授、南科大肖凯副教授等 Adv. Mater.: 基于调控水凝胶中离子传输的仿生视网膜-赋能机器视觉
2025-03-18  来源:高分子科技

  人类视觉系统的高效信息处理能力,源自视网膜内复杂的神经网络和精妙的离子调控机制。视网膜通过抑制型和兴奋型突触的协同作用,实现对光信号的动态调控,从而提升视觉对比度、抑制噪声,完成图像识别和运动追踪等复杂任务。如何赋予机器类似的视觉感知能力,是仿生视觉与机器视觉领域的重要课题之一。现有的人工视觉系统多依赖电子传导机制,以电子为信息载体来模拟突触功能,已在特征提取、图像处理和运动追踪等方面取得了一定的成果。然而,与生物视网膜依靠离子传递信号的机制相比,电子系统在与生物体交互时存在信号匹配性不足的局限。为此,科学家们开始探索以离子传输机制为核心的仿生视网膜,希望更贴近人类视觉的工作原理,进一步提升人工视觉系统的生物兼容性和信息处理能力。


  近期,澳门大学王瑞兵教授和南方科技大学肖凯副教授团队开发了一种基于双层离子水凝胶的突触器件,用于制备仿生视网膜。该团队采用离子限域传输策略,通过调整水凝胶网络的孔隙结构,调控离子在异质界面处的传输行为,从而模拟生物视网膜中抑制型与兴奋型突触的功能。具体而言,该仿生视网膜由两层结构不同的水凝胶组成,以实现对离子传输行为的调控(图1)。在抑制型突触设计中,研究人员采用了较为稀疏的双层水凝胶结构。在光照作用下,温度梯度驱动离子在水凝胶层间自由迁移。由于阳离子和阴离子迁移速率存在差异,阳离子在返回过程中产生滞后效应,从而形成抑制型突触后电位(IPSP),有效削弱信号并抑制噪声干扰。相比之下,兴奋型突触通过在下层引入更加致密的水凝胶结构,限域离子传输路径。在光照驱动下,阴阳离子被迫同步返回,进而产生兴奋型突触后电位(EPSP),实现对关键信号的放大和正向调控(图2和图3)。这一创新设计赋予了器件多种视觉处理能力,包括边缘检测、图像锐化和噪声抑制(图4),有效提升了人工视觉系统对复杂视觉场景的感知与解析能力。此外,研究团队还展示了该仿生视网膜在方向识别与路径规划中的潜力。通过利用兴奋型突触的弛豫效应,实现运动方向识别与机器人路径规划等高级视觉任务(图5)。


图1. 基于调节水凝胶中离子限域传输的仿生视网膜。


图2. 抑制型和兴奋型仿生突触的工作机制。


图3. 水凝胶人工突触的突触可塑性。


图4. 仿生视网膜的边缘检测和对比度增强功能。


图5. 运动分析和路径规划。


  相比于传统的电子神经形态器件,这种基于离子水凝胶的器件采用与生物系统更为契合的“语言”——离子信号,为仿生视觉系统的构建提供了一种全新的思路。未来,随着离子器件在性能优化与集成度提升方面的不断进展,基于离子调控机制的仿生视网膜有望在机器人视觉、智能医疗、自动驾驶等领域发挥重要作用。这项研究通过模拟生物视网膜精妙的离子调控机制,让我们离实现真正的类人视觉又近了一步。或许在不久的将来,拥有“仿生之眼”的机器不仅能感知光影、辨识路径,更能以接近人类的方式理解世界,为人工智能与机器视觉的融合发展开启崭新的篇章。


  相关研究成果以“Bio-Inspired Retina by Regulating Ion-Confined Transport in Hydrogels”为题发表在“Advanced Materials”期刊上。澳门大学和南方科技大学联培的博士生张红杰为论文第一作者,南方科技大学硕士研究生王淞为共同第一作者,肖凯副教授(南方科技大学),王瑞兵教授(澳门大学),刘泉影助理教授(南方科技大学)和王力博士(已于今年2月份入职南京工业大学)共同担任通讯作者。


  论文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202500809.


  肖凯副教授课题组长期招聘研究助理教授、博士后、科研助理和交流学生。课题组自2021年9月成立,围绕“神经仿生材料”“类脑计算器件”“神经调控技术”开展多学科交叉研究。课题组成员以南科大为第一单位在Nat. Commun.Sci. Adv.Angew等杂志发表多篇文章,课题组多位博士后成员获批国自然青年基金、博士后海外引才专项基金等。具体信息见课题组网站:http://www.xiaokai-group.cn/。


招聘科研背景要求:


  1. 材料化学:具有电化学、无机纳米材料制备、离子导电聚合物、凝胶材料、胶体界面化学等研究背景者优先。
  2. 器件制备:具有生物电子/柔性电子器件、微纳电子器件、微纳流体器件、神经拟态器件、可穿戴器件、智能传感器件、清洁能源器件等研究背景者优先。

  3. 生物信号调控及神经计算:具有神经工程、细胞/生物电生理调控、神经计算等研究背景者优先。


  有意者直接和肖凯老师联系:xiaok3@sustech.edu.cn
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(责任编辑:xu)
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