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KAUST Sahika Inal/王亞洲 Nat. Commun.: 有機離電導體新進展-基于單組分n型混合導體的光電化學突觸

2025-02-16 來源：高分子科技

來自阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）的研究團隊近日在《自然·通訊》（Nature Communications）發表了一項重大突破，成功研制出一種基于單組分 n 型有機混合離子-電子導體（OMIEC）的光電化學突觸。這一創新性器件能夠在水溶液環境中工作，具備多光譜視覺信息感知與處理能力，為人工視覺系統、智能傳感器和神經形態計算領域帶來了重要進展。

突破傳統，打造類生物視覺系統

視覺系統是生物感知外界信息的主要方式，而傳統的人工視覺設備大多依賴無機材料，缺乏柔性、生物相容性，并且需要額外的電路元件來感應光信號。KAUST團隊成功開發了一種全新的n 型 OMIEC 材料，該材料不僅能夠在紫外、可見光和近紅外范圍內感知光信號，還能同時響應電信號，與人類視覺系統的多模態信息處理方式類似。

創新材料：p(C2F-z) 賦能高效光電突觸

研究人員設計并合成了一種含有氟化內酯和雙噻唑的共聚物（p(C2F-z)），它通過綠色 Aldol 聚合反應制備而成。該材料兼具高電子遷移率（1.04 cm2V?1s?1），在低于1 V 的工作電壓下即可實現高效的離子摻雜，使其成為低功耗神經形態器件的理想候選材料。

光電協同驅動，實現突觸可塑性

該光電化學突觸不僅能夠響應光刺激，還能通過電信號調節突觸權重，實現短時記憶（STP）向長時記憶（LTP）的轉變，從而模擬大腦的學習機制。此外，該器件可在不同波長的光刺激下產生不同強度的突觸響應，為未來多光譜人工視覺系統奠定了基礎。

突觸功能與貼合皮膚形態

研究團隊能夠模仿人腦的突觸功能并顯示出出色的生物相容性。該設備可以復制短期和長期記憶過程，甚至可以使用不同波長的光模擬條件反射的聯想學習，以及進行多光譜的AND 以及Or邏輯操作。此外，該設備的柔性形態使其能夠貼合人類皮膚，具有在人工視網膜和光療方面的應用潛力。初步測試顯示，該材料表現出微不足道的細胞毒性，并在貼合皮膚時具有穩定的光電化學特性。

高性能 8 × 8 突觸陣列，實現圖像識別

研究團隊進一步將該突觸器件集成至8 × 8 有機電化學晶體管（OECT）陣列，用于圖像識別和存儲。在實驗中，該陣列成功識別并記憶了“KA”字母圖案，并在光刺激停止后仍能保留部分記憶信息，展現出自適應感知與記憶存儲能力。此外，該器件還在事件驅動的傳感計算（reservoir computing）和全彩圖像處理任務中表現出色，能夠有效提取顏色信息并進行降噪處理。

仿生運動感知，實現智能視覺

除了光刺激，該突觸器件還能響應高頻電信號，模擬生物視網膜中的漸變神經元（graded eurons），實現對運動信息的編碼。研究人員利用該器件成功開發了一種運動識別系統，能夠準確識別物體的運動方向和速度，并在機器視覺任務中取得了高達92.5% 的識別準確率，遠超傳統圖像傳感器（22.4%）。

未來展望：神經形態計算與生物電子學的新紀元

這一研究成果不僅為神經形態計算（Neuromorphic computing）和人工視覺系統的開發提供了新的材料平臺，也展示了柔性電子、生物相容性智能設備的巨大潛力。未來，該技術有望應用于類人視覺傳感器、智能義眼、腦機接口等前沿領域，推動下一代人工智能和生物電子學的發展。

KAUST研究團隊的Sahika Inal教授和王亞洲博士后研究員表示：“我們的研究突破了傳統光電突觸的局限性，實現了一種可在水溶液中穩定運行的單組分光電化學突觸，為人工視覺系統和神經形態電子學帶來了全新的可能性。”
這項研究得到了卜杜拉國王科技大學（KAUST）、中國中山大學、南京郵電大學等機構的支持，標志著神經仿生電子學領域的又一重要進展。

論文信息：
論文標題：《基于單組分 n 型混合導體的光電化學突觸》（An optoelectrochemical synapse based on a single-component n-type mixed conductor）
發表期刊：《自然·通訊》（Nature Communications）
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-56814-w

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（責任編輯：xu）

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