利用蛋白质基胶体构建布尔逻辑：一种微电极阵列（MEA）方法

《BioSystems》：Mapping Boolean logic with protein-based colloids: A microelectrode array (MEA) approach

　　

**摘要** 神经形态计算和非传统计算旨在复制生物系统自适应、并行且节能的信息处理能力。利用可持续、生物相容的材料实现这一功能仍是一项关键挑战。在此，我们展示了一个基于蛋白质的胶体计算平台，该平台使用卵白蛋白与微电极阵列（MEA）结合，同时表现出类记忆行为和类似突触的增强与抑制。我们证明，这些特性可用于执行一系列空间分布的布尔运算，并通过我们定制制作的MEA进行捕获。该基底能够可靠地产生重复的逻辑表达式，如???∧???∧???∧???和??∨??∨???∨???，突显了其在柔软、生物来源介质中进行物质内计算的能力。本研究在生物材料中的突触可塑性与逻辑运算之间建立了一座概念桥梁，表明基于蛋白质的胶体可作为低功耗、自适应生物电子学和混合神经形态接口的可持续计算基底。

**引言** 近年来，非传统计算领域经历了重大转变，受新兴范式推动，这些范式挑战了传统基于硅的计算框架（Adamatzky et al., 2007, Adamatzky, 2016, Adamatzky et al., 2017）。在多个领域已报道了显著进展，包括胶体神经形态系统（Kheirabadi et al., 2023b, Fortulan et al., 2024b, Fortulan et al., 2024a, Mohan et al., 2025）、流体力学逻辑（Roberts et al., 2024, Raeisi Kheirabadi et al., 2025, Fortulan et al., 2024c）以及液态计算（Chiolerio et al., 2025, Raeisi Kheirabadi et al., 2024, Fortulan et al., 2026）。

推动这一转变的原因是，对替代计算方案的需求日益增长。Claude（Anthropic, 2025）和ChatGPT（OpenAI, 2025）等大型语言模型需要越来越多的数据中心，这进而增加了电力消耗和用于冷却的水资源使用（De Roucy-Rochegonde and Buffard, 2025, Jegham et al., 2025），造成了巨大的环境影响。相比之下，物质内计算提供了尺度上的转变。这些系统可以以毫焦级的能量预算运行，甚至有望达到皮焦范围（Przyczyna et al., 2021），而传统计算则在以焦耳衡量的能量水平上运行。

寻找能够执行物质内计算的材料使研究人员探索了广泛的基底，包括无机化合物如钙钛矿、金属氧化物、硫族化合物和二维材料（Aziz et al., 2023, Zhao et al., 2020, Zhang et al., 2013, Gupta et al., 2020, Song et al., 2021）。尽管这些材料表现出理想的电学性能，但往往难以合成、缺乏生物相容性，且成本高昂，限制了其实际应用。为克服这些局限，近期趋势是采用生物来源的基底，如蛋白质和植物基化学物质，因为这些材料通常更廉价、易获取且环境友好（Chung and Dhar, 2021, Chang et al., 2011, Chen et al., 2015, Mougkogiannis et al., 2024a, Mougkogiannis et al., 2024b, Fortulan et al., 2025b）。

卵白蛋白是一种富含蛋白质的材料，因其丰富性、可降解性和生物可吸收性而成为电子器件的有前途的候选材料（Kheirabadi et al., 2023c）。卵白蛋白天然形成含水蛋白质网络，含有可移动的离子物种和功能氨基酸残基，能够进行可逆的电荷重新分配。这些特性促进了非线性电导调制、界面极化和瞬态记忆效应，有利于物质内计算。此外，与许多工程化生物材料相比，卵白蛋白廉价、易得、可降解且加工要求低。其组成约为90%水和10%蛋白质（白蛋白、黏蛋白和球蛋白），已被用于制造场效应晶体管和忆阻器等器件（He et al., 2016, De La Rica and Matsui, 2010）。这些器件表现出非易失性记忆特性，并展示了片上实验室应用潜力，突显了卵白蛋白在电子系统中的多功能性（Hota et al., 2012）。

以往工作的一项局限是未能充分利用整个基底，特别地，仅采用了简单的读出层。在我们的研究中，我们使用液态形式的卵白蛋白，这增强了基底的丰富性。然而，这需要适当的读出机制；因此，我们采用了定制的微电极阵列（MEA）（Phillips and Weerasekera, 2025）。传统的两端测量仅提供单一的总电学响应，因此产生有限的计算状态空间。相比之下，MEA同时采样胶体中多个空间独立区域，每个区域表现出不同的局部离子通路和极化动力学。因此，不同的电极从相同的输入序列产生不同的布尔映射，大幅增加了基底的计算丰富性和有效维度。MEA广泛应用于生物医学和神经科学领域，能够高分辨率并行记录来自可兴奋细胞（包括神经元）的电生理活动（Wheeler and Nam, 2011, Tanwar et al., 2022），以及近期用于处理时间序列的储备池计算（Yada et al., 2021, Cai et al., 2023）。

与文献不同，本研究提出了一种基于卵白蛋白的胶体系统作为能够执行布尔逻辑运算的物质内基底。通过将胶体与MEA结合，我们利用基底的丰富性以及电压和离子电流的空间分布，从测量电学响应中提取逻辑功能。

现有的卵白蛋白电子器件主要被研究为两端忆阻式存储器、电阻开关元件或人工突触。相比之下，本工作将液态卵白蛋白视为分布式计算介质，并使用六十电极微电极阵列对其非线性电学响应进行空间采样。不是实现预定义的逻辑电路，而是通过测量信号的阈值分析产生布尔表达式，从而从单一物理基底中提取多种逻辑映射。这种液态蛋白质计算、空间复用和布尔函数发现相结合的方法，使本方法与先前的卵白蛋白基电子器件区分开来。

我们的结果令人鼓舞，因为它表明我们可以使用简单、自建且低成本的装置，利用固有的可持续生物基底执行计算。在这里，我们利用基底的电导调制和非线性行为来生成布尔函数，同时利用卵白蛋白的电导调制机制，展示该材料可以执行布尔运算。胶体的非局域电学行为（Fortulan et al., 2024a）使我们的装置能够产生各种逻辑响应，揭示了比单点电学测量所能实现的更丰富的计算能力。

**子章节片段**

**卵白蛋白胶体的制备** 从英国本地超市（Morrisons）购买新鲜母鸡鸡蛋，将其打破，分离卵白蛋白并超声处理以产生均匀悬浮液。

**电学测量** 使用源测量单元（2450 Source Measure Unit, Keithley）进行电流-电压测量。通过施加二十次±5V电压脉冲序列（每次持续10毫秒），由脉冲发生器（Pulse Pal v2, Sanworks）生成，来考察电导调制。所得到的电流和电压波形

**电流-电压及增强/抑制测量** 使用三角波形电压（范围从-5V到5V，扫描速率为2V s?1）进行电流-电压测量，以表征基底的电学行为。所记录的电流如图4a所示。

图4b中得到的电流-电压曲线表现出明显的滞后回线，这是具有记忆特性材料的特征（Gur et al., 2023, Kheirabadi et al., 2023a, Fouda et al., 2015）。胶体作为电阻开关元件工作。

**结论** 本工作介绍了一种基于卵白蛋白胶体并集成微电极阵列（MEA）的生物来源计算平台，能够通过电压诱导的离子和构象动力学执行布尔逻辑运算。系统的非线性和滞回电学响应展示了可调的高/低电阻态转变、类突触增强与抑制以及可重复的逻辑模式形成，将材料层面的电导调制与逻辑运算联系起来。

**CRediT作者贡献声明** Noushin Raeisi Kheirabadi：写作—审阅与编辑，写作—初稿，可视化，验证，方法论，调查研究，形式化分析，数据管理，概念化。Raphael Fortulan：写作—审阅与编辑，写作—初稿，可视化，验证，软件，调查研究，形式化分析，概念化。Neil Phillips：写作—审阅与编辑，验证，资源，方法论，调查研究，概念化。Alessandro Chiolerio：写作—审阅。

**资金支持** 本研究获得欧洲创新理事会和中小企业执行机构（EISMEA）资助，资助协议编号964388。

**利益冲突声明** 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Alessandro Chiolerio报告获得欧洲创新理事会与中小企业执行机构（EISMEA）的财务支持，COgITOR项目。如果还有其他作者，他们声明不存在已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本论文报告的工作。

Noushin Raeisi Kheirabadi | Raphael Fortulan | Neil Phillips | Alessandro Chiolerio | Andrew Adamatzky
非传统计算实验室，英国西英格兰大学，布里斯托尔