摘要：在脑机融合、生物界面交互等前沿领域的推动下，模拟人脑神经功能的神经形态计算已成为突破传统计算架构局限的重要方向。人工突触作为神经形态硬件的核心单元，不仅需要具备类似生物突触依赖刺激模式与历史的可塑性，以实现学习和记忆功能，还需满足软器件在机械柔性、生物兼容性及

在脑机融合、生物界面交互等前沿领域的推动下，模拟人脑神经功能的神经形态计算已成为突破传统计算架构局限的重要方向。人工突触作为神经形态硬件的核心单元，不仅需要具备类似生物突触依赖刺激模式与历史的可塑性，以实现学习和记忆功能，还需满足软器件在机械柔性、生物兼容性及长期稳定性上的严苛要求。然而， 现有人工突触多数基于刚性材料，难以适配软应用场景，同时，传统离子电子器件中存在离子分布非易失性调控困难、突触权重可调范围有限等问题，严重制约了其在软智能系统中的实际应用。

苏州大学严锋教授与王穗东教授合作，创新性地提出了一种基于离子弹性体的新型人工突触范式。研究团队通过对聚合物结构与离子种类的系统设计，成功实现了突触可塑性的精准调控，并将其应用于高性能软神经形态网络构建，为软、生物兼容型神经形态硬件的开发，提供了全新且有效的技术路径。

图1. 离子弹性体突触的结构设计、制造工艺及工作机制。

研究者通过聚酯软段与异氰酸酯刚性段的缩聚反应形成基础结构，再借助离子型扩链剂引入溴离子（Br⁻）、二氰胺根（DCN⁻）、双氟磺酰亚胺根（FSI⁻）和双三氟甲磺酰亚胺根（TFSI⁻）四种不同阴离子，制备出系列离子弹性体（IE–X）。通过溶液法将IE-X薄膜与半导体聚合物聚3-己基噻吩（P3HT）制备成双层异质结，模拟生物突触结构。其工作机制与生物突触高度契合，当施加正电压脉冲时，IE-X中的阴离子会向P3HT层迁移，诱导P3HT链产生空穴积累，使器件电导显著提升，对应生物突触的“增强”过程；施加负电压脉冲时，迁移至P3HT层的阴离子会返回IE-X层，P3HT的p型掺杂作用减弱，器件电导随之降低，对应生物突触的“抑制”过程。值得注意的是，阴离子与聚合物链之间的相互作用强度直接决定突触的记忆效应，相互作用过弱会导致阴离子易流失，使记忆不稳定，过强则会阻碍阴离子迁移，无法实现权重更新。

图 2. 不同阴离子IE-X与P3HT相互作用的理论计算与模拟结果

为明确阴离子种类对突触性能的影响，团队通过 密度泛函理论与分子动力学模拟展开深入研究。结果表明，Br⁻因电荷集中，与聚阳离子链、P3HT的结合能均极强，导致阴离子难以迁移，器件无法进入高电导状态；DCN⁻电荷分布均匀，与P3HT结合能较弱，阴离子易返回IE层，记忆稳定性较差；FSI⁻虽含电负性氟原子，但与IE、P3HT的相互作用均较弱，电导调节范围有限；TFSI⁻则达到了最优平衡，其与IE结合能低，便于迁移至P3HT层，同时与P3HT结合能高，迁移后能稳定保留，使器件兼具宽电导调节范围与长期非易失性，成为后续应用研究的核心选择。

图 3. 不同阴离子离子弹性体突触的电学性能

基于TFSI⁻的离子弹性体（IE-TFSI）突触展现出远超同类器件的综合性能，完美适配软神经形态应用需求。在热稳定性方面，其热分解温度高达280 ℃，且在200℃氮气环境下可保持长期稳定；在机械柔韧性上，基于PET/ITO柔性基底制备的器件，经过100次弯曲循环后，忆阻特性无明显衰减；电学稳定性方面，该器件在空气环境中循环100次仍能保持稳定的电流滞后窗口，存储230天后性能无明显衰减，且50个随机器件的电流一致性优异。此外，通过优化电压脉冲参数，IE-TFSI突触可实现16个清晰可区分、具有非易失性的电导状态，在1000 s连续读取过程中无漂移，为简化神经形态硬件结构提供了可能。

图 4. IE-TFSI突触的突触特性及神经网络应用

在实际应用验证中，团队基于IE-TFSI突触阵列构建了包含784个输入神经元、200个隐藏神经元和10个输出神经元的三层人工神经网络，并在经典数据集上测试其性能。在手写数字识别（MNIST）任务中，仅使用16个离散突触状态，经过50个训练周期，识别准确率便达到97.6%，接近理想全精度数值模型；在更复杂的时尚图像识别（Fashion-MNIST）任务中，面对多样的纹理和类别，16状态模型仍实现了87.4%的高准确率，大幅降低了神经形态硬件的制备复杂度与成本。

该研究首次将“离/电界面的调控”作为控制人工突触可塑性的核心策略，开发的离子弹性体突触同时具备机械柔性、生物兼容性、高稳定性与可配置可塑性等优势，不仅成功解决了传统软突触的离子调控难题，更为脑机接口、柔性机器人、可穿戴智能设备等领域提供了关键的硬件支撑。

该工作以“Ionoelastomer Synapses With Configurable Synaptic Plasticity”为题发表在《Advanced Materials》上。文章第一作者为苏州大学郑思洁，张中达、王啸威为共同第一作者，苏州大学严锋教授和王穗东教授为论文共同通讯作者，研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。

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来源：老吴的科学讲堂