专栏名称: 高分子科技

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澳门大学王瑞兵教授、南科大肖凯副教授等 Adv. Mater.: 基于调控水凝胶中离子传输的仿生视网膜-赋能机器视觉

高分子科技 · 公众号 · 化学 · 2025-03-18 11:59

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人类视觉系统的高效信息处理能力，源自视网膜内复杂的神经网络和精妙的离子调控机制。视网膜通过抑制型和兴奋型突触的协同作用，实现对光信号的动态调控，从而提升视觉对比度、抑制噪声，完成图像识别和运动追踪等复杂任务。如何赋予机器类似的视觉感知能力，是仿生视觉与机器视觉领域的重要课题之一。现有的人工视觉系统多依赖电子传导机制，以电子为信息载体来模拟突触功能，已在特征提取、图像处理和运动追踪等方面取得了一定的成果。然而，与生物视网膜依靠离子传递信号的机制相比，电子系统在与生物体交互时存在信号匹配性不足的局限。为此，科学家们开始探索以离子传输机制为核心的仿生视网膜，希望更贴近人类视觉的工作原理，进一步提升人工视觉系统的生物兼容性和信息处理能力。

近期， 澳门大学王瑞兵教授和南方科技大学肖凯副教授团队 开发了一种基于双层离子水凝胶的突触器件，用于制备仿生视网膜。该团队采用离子限域传输策略，通过调整水凝胶网络的孔隙结构，调控离子在异质界面处的传输行为，从而模拟生物视网膜中抑制型与兴奋型突触的功能。具体而言，该仿生视网膜由两层结构不同的水凝胶组成，以实现对离子传输行为的调控（图1）。在抑制型突触设计中，研究人员采用了较为稀疏的双层水凝胶结构。在光照作用下，温度梯度驱动离子在水凝胶层间自由迁移。由于阳离子和阴离子迁移速率存在差异，阳离子在返回过程中产生滞后效应，从而形成抑制型突触后电位（IPSP），有效削弱信号并抑制噪声干扰。相比之下，兴奋型突触通过在下层引入更加致密的水凝胶结构，限域离子传输路径。在光照驱动下，阴阳离子被迫同步返回，进而产生兴奋型突触后电位（EPSP），实现对关键信号的放大和正向调控（图2和图3）。这一创新设计赋予了器件多种视觉处理能力，包括边缘检测、图像锐化和噪声抑制（图4），有效提升了人工视觉系统对复杂视觉场景的感知与解析能力。此外，研究团队还展示了该仿生视网膜在方向识别与路径规划中的潜力。通过利用兴奋型突触的弛豫效应，实现运动方向识别与机器人路径规划等高级视觉任务（图5）。

图1. 基于调节水凝胶中离子限域传输的仿生视网膜。

图2. 抑制型和兴奋型仿生突触的工作机制。

图3. 水凝胶人工突触的突触可塑性。

图4. 仿生视网膜的边缘检测和对比度增强功能。

图5. 运动分析和路径规划。

相比于传统的电子神经形态器件，这种基于离子水凝胶的器件采用与生物系统更为契合的“语言”——离子信号，为仿生视觉系统的构建提供了一种全新的思路。未来，随着离子器件在性能优化与集成度提升方面的不断进展，基于离子调控机制的仿生视网膜有望在机器人视觉、智能医疗、自动驾驶等领域发挥重要作用。这项研究通过模拟生物视网膜精妙的离子调控机制，让我们离实现真正的类人视觉又近了一步。或许在不久的将来，拥有“仿生之眼”的机器不仅能感知光影、辨识路径，更能以接近人类的方式理解世界，为人工智能与机器视觉的融合发展开启崭新的篇章。

相关研究成果以“Bio-Inspired Retina by Regulating Ion-Confined Transport in Hydrogels”为题发表在“ Advanced Materials ”期刊上。澳门大学和南方科技大学联培的博士生 张红杰 为论文第一作者，南方科技大学硕士研究生王淞为共同第一作者，肖凯副教授（南方科技大学）， 王瑞兵 教授（澳门大学）， 刘泉影 助理教授（南方科技大学）和王力博士（已于今年2月份入职南京工业大学）共同担任通讯作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202500809 .

肖凯副教授课题组长期招聘研究助理教授、博士后、科研助理和交流学生。课题组自2021年9月成立，围绕“神经仿生材料”“类脑计算器件”“神经调控技术”开展多学科交叉研究。课题组成员以南科大为第一单位在 Nat. Commun. , Sci. Adv. , Angew 等杂志发表多篇文章，课题组多位博士后成员获批国自然青年基金、博士后海外引才专项基金等。具体信息见课题组网站：http://www.xiaokai-group.cn/。

招聘科研背景要求：

1. 材料化学：具有电化学、无机纳米材料制备、离子导电聚合物、凝胶材料、胶体界面化学等研究背景者优先。

2. 器件制备：具有生物电子/柔性电子器件、微纳电子器件、微纳流体器件、神经拟态器件、可穿戴器件、智能传感器件、清洁能源器件等研究背景者优先。

3. 生物信号调控及神经计算：具有神经工程、细胞/生物电生理调控、神经计算等研究背景者优先。

有意者直接和肖凯老师联系：

[email protected]

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