仿生蜗牛电化学发光触觉视觉突触，实现实时健康监测
视觉突触是一种新型神经形态设备，结合了人工突触的功能与实时可视化的能力，能够直观地展示突触活动。这种技术使学者在处理信息、适应和学习时，可以观察和分析突触的行为，从而为运动监测系统的开发提供了增强功能，特别是在与设备接口处的直接通信方面。例如，在人体运动监测系统中，视觉突触能通过降低功耗并加速沟通，解决远距离电气互连的问题。视觉反馈被广泛应用于生物医学领域，如警报系统用于预防急性心律不齐和促进康复过程。此外，感官突触能够感测和学习多种刺激，如压力、光、温度、湿度和磁场，并能与各种材料结合，改变其光学特性，用于实时运动跟踪。尽管现有的触觉视觉突触在可穿戴性和功率消耗方面存在问题，但开发能够直接从设备可视化活动的单一设备触觉视觉突触，能够进一步促进基于反馈的诊断和康复。
在此，
韩国延世大学
Cheolmin Park教授
联合高丽大学
Gunuk Wang教授
共同提出了
一种触觉视觉突触，能够原位监测手指康复和心电图分析
。
通过结合开发的触觉传感器与电气和光学输出反馈算法，可以实时监测重复的手指屈曲和各种心律失常，并提供视觉引导
。
这种触觉视觉突触采用电化学晶体管结构，其中弹性体顶门作为触觉受体，电化学发光离子凝胶作为光发射层，堆叠在聚合物半导体层上，形成源极和漏极之间的电气突触通道
。
该突触能够以低功耗（约34μW）可视化与手指和心跳重复运动相关的触觉活动，为开发便捷、高效的个性化医疗系统提供了新的可能性。相关成果以“Electrochemiluminescent tactile visual synapse enabling in situ health monitoring”为题发表在
《Nature Materials》
上。第一作者为
Woojoong Kim, Kyuho Lee
和
Sanghyeon Choi
为共同一作。
电化学发光触觉视觉突触（ECL-TVS）
如图1A所示，hinea brasiliana是一种发光的海蜗牛，利用触觉感觉突触展示其化学发光特性，以保护自己免受捕食者侵害。受到这一机制的启发，作者设计并合成了基于顶部门控底接触的全彩电化学发光触觉视觉突触（ECL-TVS）设备，如图1B所示。
ECL-TVS由互嵌二锡氧化物（ITO）电极、聚（3-己基噻吩-2,5-二苯基）（P3HT）膜和含有发光体的离子凝胶组成。该设备通过机械变形的半球弹性顶门模仿海蜗牛的触觉视觉突触（图1C），其中P3HT通道电流和离子凝胶中的电化学发光（ECL）分别对应突触性质和光发射
。
ECL-TVS设备能够实现全彩电化学发光，并通过不同颜色的发光体（红、绿、蓝）模拟不同的发光响应
（图1D）。在电化学特性测试中，ECL-TVS展示了较好的电传递和亮度特性，最大亮度为37.82 cd·m-2（图1F）。设备的电阈值电压分别为红色、绿色和蓝色发光体的-0.46 V、-0.53 V和-0.37 V，与其共反应物和发光体的氧化潜力相关（图1G）。相比其他离子液体，ECL-TVS所采用的[PYR14][TFSI]离子液具有更大的化学稳定性窗口，能够支持设备稳定运行。
图1：电化学发光触觉视觉突触（ECL-TVS）
ECL-TVS中的操作机制分析
在ECL-TVS设备中，离子凝胶中P3HT通道的电流表现出突触电流变化，涉及电动双层的形成、掺杂、增强电导率及ECL发射的关系（图2）
。当施加负脉冲时，电动双层迅速在离子凝胶中发展，P3HT通道中的TFSI阴离子掺入，并注入孔，增强了电导率。随着栅极脉冲的增加，电导率提高，突触电流表现出长期增强行为。ECL发射源于离子凝胶中的发光体的氧化还原反应，并与P3HT通道的电导率相关（图2B）。原位光谱实验揭示，随着栅极电压的增加，P3HT通道的极化状态显著变化，孔载体浓度随着栅极电压增加而增大（图2E）。在-1.2 V栅极电压下，孔浓度达到1021 cm-3，类似于在大规模掺杂的OECTS中观察到的浓度（图2F）。此外，ECL发射强度随时间增加，与栅极电压的增加和TFSI掺杂有关，突触后电流（PSC）饱和速率随栅极偏置增大（图2K）。整体结果表明，ECL发射强度与TFSI掺杂产生的极性密度以及从排水电极注入的孔密切相关（图2G）。
图2：ECL-TVS中的操作机理的分析
ECL-TVS中触觉突触活动的可视化
如图3A和B所示，当施加-3.5 V的恒定负栅极电压时，RU（BPY）32+和TPRA的氧化反应被触发，进而激发电化学发光（ECL）反应。随着栅极触觉脉冲数量的增加，PSC和ECL的水平也随之增加（图3A）。通过从总栅极电流中减去与P3HT通道电流相关的离子掺杂电流，获得的氧化还原电流与ECL亮度变化相对应，验证了ECL-TVS的工作机制（图3A和C）。设备在不同触觉脉冲频率下的突触可塑性也被检查，结果表明PSC水平依赖于栅极触觉频率（图3C），并且在不同频率下突触可塑性呈现一致的变化。如图3D和E所示，脉冲频率和发光区域之间的关系揭示了触觉脉冲数量和频率对ECL发光区域的促进作用（图3B和E）。在750µm厚的离子凝胶中，栅极电场依赖性ECL反应增强了发光区域的形成（图3F）。通过有限元分析，作者模拟了ECL-TV的电场分布，发现电场的不对称性由电极和离子凝胶的几何设计控制（图3G）。ECL-TV的电容和光发射面积与离子凝胶的厚度和电极尺寸有关，改变这些参数可以调控发光区域（图3F和G）。这些结果展示了ECL-TVS的全彩操作及其在实际应用中的潜力。
图3：ECL-TV中触觉突触活动的可视化
用可穿戴的ECL-TVS进行手指康复监测
作者开发了一种个性化的可穿戴设备，利用ECL-TVS促进手指动作的康复，特别是手指弯曲这一日常生活中至关重要的功能
（图4A）。设备由红色、绿色和蓝色ECL发色团制成，并垂直固定在棕榈上，通过个性化手识别算法与图像分析相结合来精确识别手指动作（图4B）。当手指弯曲时，设备可靠地产生ECL排放，并记录下电气和ECL输出数据。在测试中，设备在食指、中指和环手指的弯曲过程中，成功地收集了数据并反馈（图4C，D）。该方法能跟踪康复进度，并通过视觉反馈实时向用户提供指导。设备仅在手指运动时消耗动力，能够用标准便携电池运行并展示了良好的长期性能。
图4：使用可穿戴ECL-TVS的手指康复监测
通过ECL-TVS进行心律失常监测
作者开发了一种全彩ECL-TVS设备，用于实时心律失常的检测和可视化（图5）。该设备能够利用不同颜色的ECL发光体与SNN（脉冲神经网络）结合，准确地诊断并可视化不同类型的心律失常。图5A显示了与正常或异常心跳相对应的ECG信号，通过SNN处理这些信号，能够有效地识别心律失常类型（如N、S、V、F、Q）。
SNN通过模拟人脑的工作原理，结合突触与触觉功能，将ECG信号转化为稀疏的电尖峰列车，从而触发ECL发光进行诊断可视化
（图5B）。作者还证明了压力可以调节STDP（尖峰时间依赖性可塑性），这是大脑的学习规则，并且在施加压力后，ECL-TVS能够有效地提高诊断准确性（图5C）。通过对不同压力下的学习，设备能够在高达84%的准确率下诊断心律失常，并通过ECL可视化结果（图5D，E）。此外，ECL-TVS能够实现对不同心律失常类型（如N、S、V、F、Q）的实时可视化，展示了其在智能医疗保健中的应用潜力（图5G、H）。
图5：具有ECL-TVS的心律失常监测系统
讨论
本文已证明触觉视觉突触设备在电气和光学监测身体部位运动方面具有广泛的医疗保健应用，特别是在个性化治疗、智能医疗保健和生理监测中。基于顶门的OECT技术开发的ECL-TVS，能够在栅极电压下调节其发射波长，覆盖完整的可见光范围。
该设备通过脉冲栅场与机械接触事件相关的突触电流，与离子凝胶的发光相结合，完成触觉事件的感测、学习和可视化。尤其是，适合手掌和手指的可穿戴触觉视觉突触能有效促进手指康复，并跟踪电气和光学模式中的进度。
此外，基于ECG数据学习的先进生理监测展示了更高的预测分析能力，能够根据患者数据趋势调整治疗方案。这种人造视觉突触的视觉反馈设备为未来的生物医学应用研究和新型发光材料、设备配置的开发奠定了基础。
