摘要：人类大脑具有的离子选择性传递和动态弛豫过程使人类拥有快速感知、联想学习和长期记忆的功能。受人脑启发，合成的柔性离子材料，如水凝胶和离子凝胶，因其能模仿皮肤的感知功能的潜力而引起了极大的关注。然而，它们实现高阶功能（如学习和记忆）的能力仍然严重有限。通常这类材料

人类大脑具有的离子选择性传递和动态弛豫过程使人类拥有快速感知、联想学习和长期记忆的功能。受人脑启发，合成的柔性离子材料，如水凝胶和离子凝胶，因其能模仿皮肤的感知功能的潜力而引起了极大的关注。然而，它们实现高阶功能（如学习和记忆）的能力仍然严重有限。通常这类材料所感知的信号，仍需由传统的固态半导体进行处理和存储，与生物系统直接由离子进行信号感知、学习和记忆的机制有很大不同。因此，如何通过合成的柔性离子材料，不仅模仿皮肤的感知功能，还能进而模仿生物的学习、记忆和决策能力，是一个重要的挑战。

图1. 基于阳离子-π相互作用和IDL的双层离子导电凝胶设计

东华大学武培怡（点击查看介绍）和雷周玥（点击查看介绍）团队利用双层离子导电凝胶，通过阳离子-π相互作用和离子双电层（IDL）的设计，控制其中不同离子的快速响应和慢弛豫动力学，实现了仿生学习、记忆和决策功能。在外场刺激下，双层凝胶的自由阴离子由于阳离子-π相互作用得以快速传递实现快速的电信号响应，同时IDL 的存在使得离子的缓慢弛豫并允许长期记忆得以维持。记忆行为是由每次刺激后缓慢离子松弛的累积形成。离子的缓慢松弛特性保留了先前刺激的状态，使离子凝胶能够保留过去的学习经验。

图2. 离子导电凝胶的联想学习

离子导电凝胶展现出非线性整流效应，并表现出类似于在生物感觉神经元系统的短期可塑性（STP）。阳离子-π相互作用和IDL的存在稳定了离子在界面处的富集态，导致阴离子饱和下更慢的弛豫动力学。这种离子弛豫的特性也让凝胶可以模拟经典的巴甫洛夫条件反射，缓慢的弛豫保留了先前刺激的效果，一方面降低再次学习的壁垒，另一方面能够保留过去学习的经验以达到持久记忆。

图3. 离子导电凝胶的联想学习行为

离子导电凝胶能够识别不同时间序列和间隔下的信息，在不同强度和电场刺激下响应出不同的峰值。当凝胶受到4次正峰和1次负峰训练时，负峰的出现顺序显著影响其记忆曲线的衰减速率。负尖峰训练越晚，记忆曲线衰减越快，特征记忆时间越短。这些结果突出了离子导电凝胶在不同环境下的适应性及主动学习和记忆功能方面的潜力。

图4. 离子导电凝胶的多模态记忆

离子导电凝胶在不同训练次数和持续时间下可实现从感觉记忆到短期记忆（STM）到长期记忆（LTM）的转换。这种特性利于实现不同模式信息的编码、存储及检索功能。

图5. 离子凝胶整合信息感知、学习和记忆功能

通过集成信号感知、处理和记忆能力，离子导电凝胶可模仿捕蝇草对于捕获猎物时的决策功能。只有离子导电凝胶受到高频下的刺激时，才能够达到触发抓手的阈值。这种聪明的反应可以防止非猎物刺激（如雨滴）造成的意外关闭，同时也避免了不必要的能量消耗。

该研究在离子导电凝胶中实现了感知、学习、记忆和自主决策功能的集成，同时开辟了在凝胶类材料中实现电信号处理和调制功能的途径。

上述研究成果在线发表于期刊Nature Communications 上。该研究工作由东华大学完成，东华大学雷周玥研究员和武培怡教授为论文通讯作者。感谢国家自然科学基金委（52433003和22305033）和中央高校基本科研业务费专项资金资助（2232024A-05）对该工作的资助。

Bioinspired learning and memory in ionogels through fast response and slow relaxation dynamics of ions

Ning Zhou, Ting Cui, Zhouyue Lei & Peiyi Wu

Nat. Commun., 2025, DOI: 10.1038/s41467-025-59944-3

导师介绍

武培怡

来源：X一MOL资讯