客户成果丨南京航空航天大学《Nature communications》：离子-电子混合人工神经元实现宽频率调控

生物神经系统依靠宽范围的尖峰频率传递和处理信息。在人工系统中复现这种宽频特性，对发展类脑计算与神经形态感知器件具有重要意义。然而，现有人工神经元多基于电子电路或忆阻器–RC振荡器构建，其频率可调范围通常局限在一个数量级内，难以覆盖生物信号的多样性，且往往需要外接传感器，导致系统复杂、集成度低。

针对这一挑战，南京航空航天大学国际前沿科学研究院郭万林院士团队创新性地将单个非线性电化学元件与单个固态忆阻元件集成，成功研制出一种离子-电子混合人工神经元（Hybrid Artificial Neuron, HAN）。相关研究成果以“An ion-electronic hybrid artificial neuron with a widely tunable frequency”为题，发表于国际知名期刊《Nature Communications》。

该器件的设计灵感源于生物神经元的工作机制（图1a）。其电子部分基于Nb/NbTixOy忆阻器，具有类似生物神经元中离子通道的阈值开关特性，起到类似胞体的功能；离子部分则采用含Fe2+/Fe3+氧化还原对的电化学单元，通过低电位下的可逆反应（图1b），模拟突触间神经递质的释放与接收，实现了离子与电子信号的高效转换。两者结合形成的等效电路（图1d），可在输入电压激活后产生类神经脉冲（图1e），并展现出优异的稳定性——在超过3亿次脉冲循环中保持频率高度一致（图1g），具备长期可靠的神经形态处理能力。

图1. HAN的仿生结构、电化学与忆阻特性、等效电路及脉冲稳定性。

该HAN器件展现出卓越的频率调控能力，其尖峰频率可调范围跨越五个数量级（图2a-b），远超绝大部分现有固态人工神经元。与生物神经元和其他类型人工神经元的对比表明（图2c），HAN首次全面覆盖了生物神经系统的典型工作区间，为构建更仿生的神经形态系统奠定了基础。

图2. HAN的频率可调范围（a-b）及与生物神经元和其他类型人工神经元的对比（c）。

得益于离子行为对环境变化的高度敏感性，该器件表现出优异的多模态感知能力。无需额外集成传感单元，HAN即可直接响应流速、温度和离子浓度等多种物理化学刺激，展现出丰富的频率响应行为。研究团队利用这一特性，成功模拟出机械感觉、热感觉和化学感觉神经元的基本功能，实现了从环境信号到脉冲频率的直接编码转换。

图3. HAN在流速（a-d）、温度（e-h）与离子浓度（i-l） 刺激下的频率响应行为。

研究进一步展示了HAN在生物‐电子接口和模式识别中的应用。通过连接蟑螂腿运动神经，团队构建出混合反射弧，通过调节尖峰频率可激发不同的肌肉运动模式。此外，将多个HAN组成传感阵列，实现了基于指尖温度感知的手写数字轨迹识别。

图4. HAN驱动蟑螂腿肌肉反应（a-d）及阵列手写识别演示（e-h）。

该研究开发的离子-电子混合神经元器件结构简洁，仅由一个电化学元件与一个忆阻元件构成，不仅复现了生物神经元的动作电位和频率调节等关键特性，还展现出跨越五个数量级的宽频响应能力。电化学界面对流速、温度和离子浓度等环境刺激的敏感性，使该器件能够内置模拟机械、热和化学感受器功能，无需外接复杂传感器即可实现多模态感知，展现出在神经形态器件中的广泛应用前景。

该工作通过使用TuoTuo Technology的无掩模光刻机完成了所有忆阻器的制备工作。本研究得到了中国科技部、中国国家自然科学基金委等多个机构的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-025-63195-7