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  在生物中，個體執(zhí)行動作的能力具有較大差異：在反復(fù)訓(xùn)練后，肌肉仍能保持“記憶”狀態(tài)，能夠長期維持肌纖維張力和以及強度。另外，即使在中斷訓(xùn)練較長時間之后再進行恢復(fù)訓(xùn)練，肌肉也能在較短時間內(nèi)達到之前的激活狀態(tài)。該現(xiàn)象被稱為“肌肉記憶”，這歸因于肌肉神經(jīng)系統(tǒng)獨特的學(xué)習(xí)能力：肌肉神經(jīng)系統(tǒng)釋放不同的神經(jīng)遞質(zhì)（如Glu，ACh等）促使肌肉終端執(zhí)行不同的動作（瞬時反射或持久輸出）以響應(yīng)外部刺激。這一過程有助于肌肉執(zhí)行終端減少對大腦皮層的依賴，并幫助個體即時高效完成相應(yīng)任務(wù)。盡管已有少數(shù)課題組模擬了基于單一神經(jīng)遞質(zhì)傳輸?shù)娜斯ど窠?jīng)肌肉系統(tǒng)，但在真實環(huán)境中，個體的肌肉運動應(yīng)是瞬時響應(yīng)與持續(xù)輸出模式共存，并且能夠在兩種模式間實現(xiàn)快速切換。為了模擬這種能力，需要設(shè)計一種具有多神經(jīng)遞質(zhì)可切換的人工神經(jīng)肌肉系統(tǒng)，以應(yīng)對復(fù)雜多變的環(huán)境刺激并執(zhí)行有效反應(yīng)，例如縮手反射和肌肉記憶。此外，在目前已報道的人工神經(jīng)肌肉系統(tǒng)中，機械手的肌腱材料通常由電活性聚合物組成，其輸出應(yīng)力小于3 MPa，遠低于日常所需的強度。這一局限性決定了目前的人工肌肉系統(tǒng)只能完成一些極為簡單的彎曲驅(qū)動，卻無法與人工骨骼及類似仿生組件級聯(lián)起來以完成更高級的運動任務(wù)，也無法滿足復(fù)雜神經(jīng)形態(tài)電子的基本要求。相較于電活性聚合物，壓電陶瓷和介電彈性體等軟體致動材料雖然能夠承受更高的應(yīng)力，但這些材料通常需要極高的工作電壓（50~800 V），不利于未來生物集成系統(tǒng)安全。

  在生物神經(jīng)肌肉系統(tǒng)中，傳入神經(jīng)將各種外部刺激轉(zhuǎn)化為神經(jīng)沖動。神經(jīng)中樞處理信息，然后通過傳出神經(jīng)將控制指令傳輸?shù)侥┒诵?yīng)器。大腦皮層的高級神經(jīng)中樞和脊髓的低級神經(jīng)中樞都以反射的方式調(diào)節(jié)身體。皮層控制執(zhí)行條件反應(yīng)的效應(yīng)器、脊髓控制執(zhí)行無條件反射的效應(yīng)器（圖2a）。這兩種反應(yīng)的協(xié)調(diào)使生物體能夠并行地執(zhí)行多種行動，以應(yīng)對復(fù)雜的環(huán)境。作為神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的核心單元，所提出的PCAS由離子凝膠、源漏電極以及基于SiO₂襯底的氧化銦鋅/聚（甲基丙烯酸甲酯）/2,7-二辛基[1]苯并噻吩并[3,2-b][1]苯并硫吩（IZO/PMMA/C8BTBT）無機-有機雜化薄膜組成（圖2b）。通過氯苯蒸汽退火工藝使雜化薄膜實現(xiàn)垂直相分離，利用聚焦離子束（focused ion beam, FIB）技術(shù)將薄膜樣品的橫截面刻蝕成厚度為70 nm的薄片，并通過HRTEM高清掃描驗證其垂直分層結(jié)構(gòu)：上層為C8-BTBT薄膜，中間層為PMMA薄膜，下層為IZO薄膜（圖2c-h）。 

  兩個神經(jīng)元之間信息的傳遞依賴于突觸間隙，動作電位驅(qū)使離子流向突觸前膜，并促使前膜釋放神經(jīng)遞質(zhì)通過間隙傳輸至突觸后膜（圖3a）。PCAS中的離子凝膠中包含EMIM陽離子與TFSI陰離子，對其施加正負脈沖刺激時，會分別觸發(fā)雙溝道中的IZO溝道中的電子載流子（對應(yīng)于大腦皮層中的Glu并傳遞長期命令）與C8BTBT溝道中的空穴載流子（對應(yīng)于脊髓中的Ach并傳遞短期命令），形成興奮性突觸后電流（EPSC）。此外，當對PCAS切換施加正負脈沖刺激時，還能夠模擬突觸前膜釋放到突觸間隙的兩種神經(jīng)遞質(zhì)的相互競爭關(guān)系（圖3b,c）。 

  基于人工傳出神經(jīng)構(gòu)建了一個高強度神經(jīng)肌肉系統(tǒng)，以模擬對不同外部信息的實時感知和信號處理（圖4a）：將高強度的鈦/鎳合金纖維作為人工肌肉嵌入中空部分以控制仿生機械手的運動，信號處理模塊將電子或空穴主導(dǎo)的EPSC轉(zhuǎn)換為不同的控制指令傳輸至仿生機械手，人工肌肉利用形狀記憶合金的周期性變形，基于其滯后動力特性，同步感知這些控制指令，繼而帶動仿生機械手外殼執(zhí)行高強度負載的致動（圖4b,c）。在神經(jīng)肌肉系統(tǒng)中，當施加小于2 A的安全脈沖電流時，其人工關(guān)節(jié)的最大曲屈度為73°（對應(yīng)于最大應(yīng)變為4%），其最大輸出力為29.2 N（圖4d,e）。實驗演示了通過調(diào)節(jié)人工肌肉纖維的收縮來抓取一包巧克力的過程（圖4f,h）。 

  基于PCAS獨特的載流子傳輸特性，所提出的人工神經(jīng)肌肉系統(tǒng)可以在兩個獨立的通道中同時傳遞兩種神經(jīng)遞質(zhì)所攜帶的信息，以控制人工肌肉的收縮。這種能力可以模擬人體對不同環(huán)境刺激的多種反應(yīng)，并進一步實現(xiàn)縮手反射與肌肉記憶。這一結(jié)果表明，該研究人工神經(jīng)肌肉系統(tǒng)有潛力模擬生物肌肉的復(fù)雜動作，即：非條件反射與條件反射的快速切換。 

  該工作開發(fā)了一種具有多種反應(yīng)機制的神經(jīng)整合肌肉系統(tǒng)。核心突觸單元通過切換雙溝道中主導(dǎo)載流子的類型（即，電子與空穴）能夠模擬兩種興奮性神經(jīng)遞質(zhì)（即，Glu與ACh）的競爭：電子主導(dǎo)的長程可塑性、空穴主導(dǎo)的短程可塑性以及主導(dǎo)載流子在電子和空穴之間的獨特轉(zhuǎn)換。多種行為調(diào)節(jié)模式支持多聲源跟蹤、多模式研究的混合策略和高效模式識別。在此基礎(chǔ)上，進一步提出了一種整合了人工傳出神經(jīng)的人工神經(jīng)肌肉系統(tǒng)以模擬人體對不同環(huán)境刺激作出的反應(yīng)，包括非條件反射和條件反射；這是首次在人工突觸驅(qū)動的人工肌肉系統(tǒng)中同時現(xiàn)實應(yīng)力與曲屈，并在各項參數(shù)方面都遠超目前已報道的人工神經(jīng)肌肉系統(tǒng)。這項工作為下一代人工智能在認知、聽覺、記憶和運動神經(jīng)信息處理方面的提供了指導(dǎo)思路。

團隊介紹

  該工作是南開大學(xué)神經(jīng)形態(tài)與柔性電子實驗室近期關(guān)于人工神經(jīng)突觸及類腦系統(tǒng)的最新進展之一。徐文濤教授為該團隊負責人，現(xiàn)任南開大學(xué)杰出教授，博士生導(dǎo)師。獲得國家杰青，國家級青年人才，天津市海河英才計劃領(lǐng)軍人才，天津市杰青等項目資助。曾任韓國浦項工科大學(xué)和首爾國立大學(xué)研究副教授，在美國四院院士伊利諾大學(xué)香檳分校John A Rogers教授研究組和美國兩院院士、中科院外籍院士斯坦福大學(xué)鮑哲南教授研究組訪問學(xué)習(xí)和合作研究。近年來研究興趣主要在神經(jīng)形態(tài)電子器件與柔性電子領(lǐng)域，涉及材料、化學(xué)、物理、電子、仿生等多學(xué)科交叉。近年來主要圍繞柔性神經(jīng)形態(tài)電子學(xué)領(lǐng)域，在Science, Matter, Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials等雜志發(fā)表文章，申請專利30余項。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c06122

  下載：A High-Strength Neuromuscular System That Implements Reflexes as Controlled by a Multiquadrant Artificial Efferent Nerve