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澳門大學王瑞兵教授、南科大肖凱副教授等 Adv. Mater.: 基于調控水凝膠中離子傳輸的仿生視網膜-賦能機器視覺
2025-03-18  來源:高分子科技

  人類視覺系統的高效信息處理能力,源自視網膜內復雜的神經網絡和精妙的離子調控機制。視網膜通過抑制型和興奮型突觸的協同作用,實現對光信號的動態調控,從而提升視覺對比度、抑制噪聲,完成圖像識別和運動追蹤等復雜任務。如何賦予機器類似的視覺感知能力,是仿生視覺與機器視覺領域的重要課題之一。現有的人工視覺系統多依賴電子傳導機制,以電子為信息載體來模擬突觸功能,已在特征提取、圖像處理和運動追蹤等方面取得了一定的成果。然而,與生物視網膜依靠離子傳遞信號的機制相比,電子系統在與生物體交互時存在信號匹配性不足的局限。為此,科學家們開始探索以離子傳輸機制為核心的仿生視網膜,希望更貼近人類視覺的工作原理,進一步提升人工視覺系統的生物兼容性和信息處理能力。


  近期,澳門大學王瑞兵教授和南方科技大學肖凱副教授團隊開發了一種基于雙層離子水凝膠的突觸器件,用于制備仿生視網膜。該團隊采用離子限域傳輸策略,通過調整水凝膠網絡的孔隙結構,調控離子在異質界面處的傳輸行為,從而模擬生物視網膜中抑制型與興奮型突觸的功能。具體而言,該仿生視網膜由兩層結構不同的水凝膠組成,以實現對離子傳輸行為的調控(圖1)。在抑制型突觸設計中,研究人員采用了較為稀疏的雙層水凝膠結構。在光照作用下,溫度梯度驅動離子在水凝膠層間自由遷移。由于陽離子和陰離子遷移速率存在差異,陽離子在返回過程中產生滯后效應,從而形成抑制型突觸后電位(IPSP),有效削弱信號并抑制噪聲干擾。相比之下,興奮型突觸通過在下層引入更加致密的水凝膠結構,限域離子傳輸路徑。在光照驅動下,陰陽離子被迫同步返回,進而產生興奮型突觸后電位(EPSP),實現對關鍵信號的放大和正向調控(圖2和圖3)。這一創新設計賦予了器件多種視覺處理能力,包括邊緣檢測、圖像銳化和噪聲抑制(圖4),有效提升了人工視覺系統對復雜視覺場景的感知與解析能力。此外,研究團隊還展示了該仿生視網膜在方向識別與路徑規劃中的潛力。通過利用興奮型突觸的弛豫效應,實現運動方向識別與機器人路徑規劃等高級視覺任務(圖5)。


圖1. 基于調節水凝膠中離子限域傳輸的仿生視網膜。


圖2. 抑制型和興奮型仿生突觸的工作機制。


圖3. 水凝膠人工突觸的突觸可塑性。


圖4. 仿生視網膜的邊緣檢測和對比度增強功能。


圖5. 運動分析和路徑規劃。


  相比于傳統的電子神經形態器件,這種基于離子水凝膠的器件采用與生物系統更為契合的“語言”——離子信號,為仿生視覺系統的構建提供了一種全新的思路。未來,隨著離子器件在性能優化與集成度提升方面的不斷進展,基于離子調控機制的仿生視網膜有望在機器人視覺、智能醫療、自動駕駛等領域發揮重要作用。這項研究通過模擬生物視網膜精妙的離子調控機制,讓我們離實現真正的類人視覺又近了一步。或許在不久的將來,擁有“仿生之眼”的機器不僅能感知光影、辨識路徑,更能以接近人類的方式理解世界,為人工智能與機器視覺的融合發展開啟嶄新的篇章。


  相關研究成果以“Bio-Inspired Retina by Regulating Ion-Confined Transport in Hydrogels”為題發表在“Advanced Materials”期刊上。澳門大學和南方科技大學聯培的博士生張紅杰為論文第一作者,南方科技大學碩士研究生王淞為共同第一作者,肖凱副教授(南方科技大學),王瑞兵教授(澳門大學),劉泉影助理教授(南方科技大學)和王力博士(已于今年2月份入職南京工業大學)共同擔任通訊作者。


  論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202500809.


  肖凱副教授課題組長期招聘研究助理教授、博士后、科研助理和交流學生。課題組自2021年9月成立,圍繞“神經仿生材料”“類腦計算器件”“神經調控技術”開展多學科交叉研究。課題組成員以南科大為第一單位在Nat. Commun.Sci. Adv.Angew等雜志發表多篇文章,課題組多位博士后成員獲批國自然青年基金、博士后海外引才專項基金等。具體信息見課題組網站:http://www.xiaokai-group.cn/。


招聘科研背景要求:


  1. 材料化學:具有電化學、無機納米材料制備、離子導電聚合物、凝膠材料、膠體界面化學等研究背景者優先。
  2. 器件制備:具有生物電子/柔性電子器件、微納電子器件、微納流體器件、神經擬態器件、可穿戴器件、智能傳感器件、清潔能源器件等研究背景者優先。

  3. 生物信號調控及神經計算:具有神經工程、細胞/生物電生理調控、神經計算等研究背景者優先。


  有意者直接和肖凱老師聯系:xiaok3@sustech.edu.cn
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(責任編輯:xu)
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