生物泄漏-积分-发放（LIF）神经元是一种动态的活体计算系统，能够通过突触可塑性调节信号强度，并通过胞体放电产生动作电位。为了模拟 LIF 功能，构建一种具备可逆模拟型（突触功能）与阈值开关型（胞体功能）的忆阻器至关重要。本文提出了一种可重构水凝胶忆阻器，通过调控其组成可分别模拟突触或胞体功能。在柔性水凝胶基质中，聚乙烯醇（PVA）含量调控银纳米片（Ag NF）的分散状态，从而形成不同的 Ag 导电路径。低 PVA 含量下，忆阻器表现出模拟型特性；高 PVA 含量下，则呈现阈值开关特性，并具有 0.56 V 的低开启电压。此外，通过整合模拟型忆阻器、阈值开关型忆阻器、电容和电阻，构建了一种能够根据历史刺激动态调节发放概率的人工 LIF 神经元。该系统在图像分类任务中实现了 95.46% 的准确率，能高度模拟生物神经元行为，并推动人工神经网络硬件的发展。

  2026年4月2日，研究成果以“Bioinspired Leaky Integrate-and-Fire Neurons Enabled by Reconfigurable Hydrogel Memristors”为题发表在“Advanced Materials”期刊上。该论文第一单位为南方科技大学，科研助理蓝荣华（现为厦门大学博士研究生）为论文第一作者，肖凯副教授为论文通讯作者。

  突触可塑性与胞体的积分-发放行为是生物 LIF 神经元学习与计算的基础。近年来，研究者通过水凝胶忆阻器成功模拟了生物突触与胞体的功能。然而，由于人工突触与人工胞体在功能和实现机制上存在差异，大多数基于水凝胶的人工突触与人工胞体仍依赖不同材料体系分别构建。这种异质性不仅增加了器件制备与系统集成的复杂性，也不同于生物神经元中突触与胞体共享相同离子环境的生理特征，从而在根本上限制了人工神经网络硬件的发展。因此，探索在单一水凝胶体系中分别实现突触与胞体功能，对于更全面模拟生物 LIF 神经元具有重要意义。

  在本研究中，提出了一种可重构水凝胶忆阻器，突破了传统水凝胶基神经形态器件难以在单一材料体系中分别模拟突触与胞体功能的瓶颈。该忆阻器采用氧化铟锡（ITO）作为电极层，水凝胶层则由聚丙烯酰胺（PAAm）、聚乙烯醇（PVA）和银纳米片（Ag NF）组成（图1）。通过调控 PVA 含量，可有效调节 Ag NF 在水凝胶基质中的分散状态，从而形成不同的 Ag 导电路径（图2）。其中，低 PVA 含量制备的非易失性模拟型忆阻器可用于模拟成对脉冲促进/抑制（PPF/PPD）和脉冲时序依赖可塑性（STDP）等突触行为（图3）；高 PVA 含量制备的易失性阈值开关忆阻器则表现出 0.56 V 的低阈值开关特性，可用于模拟胞体的积分-发放行为（图4）。值得注意的是，阈值开关忆阻器还可以通过调节钳位电流实现由易失性向非易失性的转变。此外，基于上述忆阻器构建的人工 LIF 神经元电路，通过引入突触可塑性实现了根据历史刺激动态调节发放频率，并在图像分类任务中取得了 95.46% 的高识别准确率（图5）。该工作在单一水凝胶体系中分别实现了突触与胞体功能，为更全面模拟生物 LIF 神经元及构建柔性神经形态硬件提供了新思路。

图1 可重构水凝胶忆阻器用于模拟生物 LIF 神经元功能

图2 可重构水凝胶忆阻器的机理解释与表征

图3 非易失性模拟型忆阻器用于模拟突触可塑性

图4 易失性阈值开关忆阻器用于模拟胞体的积分-发放行为

图5 基于忆阻器的人工 LIF 神经元用于图像识别

  本工作得到了深圳市医学研究专项、国家自然科学基金、广东省科技厅和深圳市科技创新委员会等项目的支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202520195

  肖凯副教授课题组长期招聘博士后。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。

  有意者直接和肖凯副教授联系：xiaok3@sustech.edu.cn