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为解决现有触觉神经形态系统难以模拟生物系统中兴奋和抑制特征间复杂时间可塑性的问题，研究人员开展了机械门控离子型压阻忆阻器（MIPM）的研究。结果显示 MIPM 具备可编程时间触觉可塑性等特性，有望用于多种神经调节，推动相关领域发展。
在神奇的生物神经元世界里，机械敏感压电通道与神经元突触相互协作，如同精密的信号转换器，能将外界的压力信号巧妙地转化为复杂的具有兴奋和抑制特征的时间塑性脉冲。这一过程对于生物精准处理和记忆触觉信息至关重要。然而，当前的人工触觉神经形态系统却难以复制生物系统中这种精妙的时间可塑性。打个比方，就像模仿大师作品的赝品，总是缺少原作的神韵。现有系统大多只能呈现单调的神经形态特征，在面对复杂多变的触觉行为时，其有限的感知能力就像小马拉大车，难以提供精细的兴奋和抑制神经形态信号，严重阻碍了复杂触觉处理和记忆功能的发展，比如触觉记忆的擦除和可逆调制等操作，在现有系统中都难以实现。
为了攻克这一难题，中国科学院大学未来技术学院、中国科学院理化技术研究所仿生材料与界面科学重点实验室等机构的研究人员勇敢地踏上了探索之路。他们致力于研发一种全新的装置，期望能够模拟生物系统的神奇功能。经过不懈努力，他们成功研制出机械门控离子型压阻忆阻器（MIPM），并发现该装置具备可编程的时间触觉可塑性。这一成果意义非凡，它就像一把钥匙，为人工触觉神经形态系统打开了新的大门，有望广泛应用于仿生机械传感系统、生物杂交机器人、触觉神经形态计算以及智能可穿戴设备等多个领域，推动相关技术实现跨越式发展。该研究成果发表在《Nature Communications》上。
研究人员在开展这项研究时，运用了多种关键技术方法。首先，采用正交聚合诱导相分离策略制备双连续异质凝胶，以此作为可切换刚度的离子型机械门。其次，通过微集成技术，将离子型机械门与振荡离子型忆阻器相结合，构建了 MIPM 系统。此外，利用有限元分析（FEA）等手段对相关性能进行研究和验证。在生物实验方面，选取雌性 Sprague Dawley 大鼠，通过手术将 MIPM 与大鼠的坐骨神经相连，以此探究 MIPM 在生物体内的功能。
下面来详细看看研究结果：
- 可切换刚度离子型机械门：研究人员模仿生物机械感受器的机制，引入双连续离子型异质凝胶作为可切换刚度的离子型机械门。这种异质凝胶由刚性玻璃态聚合物和柔软离子液体凝胶（ILgel）相互贯穿形成连续结构。在 25°C - 40°C 的生理相关温度范围内，其机械模量可变化三个数量级。通过实验和有限元分析发现，在刚性状态下，异质凝胶表现出负压阻特性；在软化状态下，则呈现正压阻特性。而且，这种刚度诱导的双压电电阻特性稳定性极佳，经过 100 次软硬状态切换后几乎不变。这一特性有效增强了触觉忆阻器系统的感知能力。
- 基于兴奋和抑制神经形态的时间触觉可塑性：MIPM 系统模拟生物神经元系统中触觉感知过程，基于兴奋和抑制神经形态信号展现出仿生时间触觉可塑性。当不同压力刺激输入到 MIPM 刚性状态的机械门时，压力增加会使负尖峰脉冲频率升高，导致突触后电流（PSC）幅值变化增大；在软状态下，较大压阻信号转换的高频正尖峰脉冲会使 PSC 显著降低，产生抑制作用。随着压力增加，MIPM 的电流衰减过程从挥发性转变为非挥发性，类似于生物突触从短期可塑性（STP）到长期可塑性（LTP）的转变。此外，MIPM 系统还能模拟比恩斯托克 - 库珀 - 芒罗（BCM）学习规则和赫布（Hebbian）学习规则，展现出多时间尺度的可塑性，实现了忆阻器电导的可逆修改。
- MIPM 的可重构触觉可塑性：MIPM 系统具有可重构触觉可塑性。其机械门可通过动态共价键的重排对表面形态进行编程，改变为微网格、微柱和微三角形等结构，使正压阻灵敏度在 0 - 50 kPa 压力范围内从 5.28 增加到 11.92 kPa-1 ，负压阻灵敏度在 -0.047 到 -0.112 kPa-1之间变化。同时，忆阻器具有动态离子特性，通过编程离子种类和浓度可调节触觉可塑性。多离子系统增强了离子与电子电荷的耦合效应，使 PSC 显著增加，且延长了 PSC 的衰减时间。
- MIPM 系统用于生物杂交感知 - 驱动电路：MIPM 连接到传出神经接口构建生物杂交感知 - 驱动电路，能够感知复杂触觉信息并精确控制肢体运动。不同形式的压力信号被转换为具有兴奋或抑制特性的时间神经形态信号，传输到大鼠后肢的腓总神经和胫神经，引发拮抗肌运动。随着神经形态信号频率从 6 Hz 增加到 50 Hz，激活的肌肉纤维力输出提高 500%，肢体运动幅度变化显著，达到 47.5°。而且，由于兴奋和抑制神经形态信号的累积效应，大鼠的运动与历史活动密切相关。
研究结论表明，MIPM 系统成功模拟了生物机械敏感压电通道和神经元突触的功能，能够高效地将复杂触觉信息转换为神经形态信号。通过双压电电阻信号捕捉和识别压力信息，结合机械门和振荡离子型忆阻器展现出具有兴奋和抑制特性的神经形态可塑性，实现了复杂触觉处理、记忆和学习功能。此外，它还能连接生物神经接口构建生物杂交感知 - 驱动电路，基于时间触觉可塑性对生物动作行为进行精细调制。这一研究成果为仿生机械传感、生物杂交机器人等领域带来了新的希望，极大地拓展了其潜在应用范围，推动了相关领域的技术革新和发展。
