研究背景

想象你在未来的某一天，早上醒来，只要你心里一想，灯就开了。心里再默默下个指令，咖啡机就开始自动帮你加热咖啡。懒得动手的话，还可以操控机械臂帮你忙，而这一切，都是由意念帮你完成。

可能你觉得这只是神话，但随着科技的进步，这一切将有可能变成现实。

20世纪末上映的科幻电影《黑客帝国》如同一部字字珠玑的预言书,准确的预见了多项人类未来科技的发展方向，其中尼奥、墨菲斯、崔妮娣等人的“脑-机接口”让人印象深刻，通过脑-机接口，他们可以与一般的电脑相连、异常迅速的学会各种各样的知识和技能,也可以与“矩阵”(Matrix)、进入虚拟现实世界中。像《西部世界》里那样半人半机器、人与机器人共存的未来世界，也在一步步走向现实。

脑机接口是在人脑与计算机或其他电子设备之间建立直接的交流和控制的通道。近年来,随着神经科学、信息科学、材料科学等领域的快速发展,衍生出了一种新型的高科技技术——脑机接口(Brain Computer Interface, BCI)。通过BCI技术能够在生物大脑与外部机械设备之间建立起一条直接的信息交流通道,从而实现了脑与外部环境的直接交互。

虽然数字计算可以执行人工智能(AI)任务，但处理信息和传输数据所需的电子元件数量非常大，导致了密集的能源消耗。计算从计算和存储向模式识别和其他人工智能任务的转变也推动了对更节能架构的需求。在传统电子学中，半导体中的状态转换是通过改变带电电子的数量来实现的。一旦电路中的导线连接起来，带电电子在时间和空间上都是不变的。在生物系统中，离子是电荷载体。基于离子通道随时间和电压变化的离子电导率调制，通过细胞膜传输数据的动作电位导致生理输出的协调和精确定时。这些输出包括从初级肌肉收缩到高级心理活动。

尽管电子和离子之间的动态相互作用是生物学、化学和物理学中各种电子和离子功能的来源，但电子和离子学的发展具有不同的优先次序。在电子学中，一个目标是减少电路中的复杂元件。在离子学中，重点是通过各种材料和结构实现对溶解离子的复杂控制。目的是识别能够与复杂水环境中的生物过程相互作用并控制生物过程的特征离子信号。

离子电子学已经成为一种结合了电子特性和离子电导率的信号处理工具。在最初的一些晶体管中，电解质是半导体的电解质。对半导体和电解质溶液的类似描述导致了电荷选择性结构的发展，这些结构充当p型或n型半导体，这导致了20世纪50年代水溶液中电流整流器的发展。此后，人们探索了各种材料和结构来显示电解溶液的二极管状整流现象。离子通过纳米尺寸的生物通道的传输解释了一系列的生理过程以及纳米尺度限制下的流体研究。半导体工业中微制造和纳米制造技术的发展为纳米流体提供了深刻的实验工具包，以及成像和表征仪器。

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研究成果

在数字计算中，处理和存储等功能需要单独的组件连接在一起进行电子传导。神经元，相当于处理器和记忆区域的功能单元，整合在大脑中，通过离子和神经递质传导传递信号。受生物系统高能效计算架构的启发，有研究者利用理论和模拟预测了二维(2D)纳米流体通道可以表现出非线性传导并起到记忆效应晶体管的作用。通过将两个纳米流体忆阻器结合到一个基本电路中，该电路参考了Hodgkin和Huxley模型，在实验装置的模拟中再现了发射电压尖峰的神经形态响应。近日，厦门大学侯旭教授课题组介绍了近年来纳流离子学的发展历程，提出了仿生科学将成为纳流离子学发展的新趋势，并展望了仿生纳流离子学在人工智能、脑机接口、类脑智能与人机增强等跨学科交叉领域的广阔应用前景。相关研究工作以“Bioinspired Nanofluidic Iontronics”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。这篇论文是关于新兴的仿生纳流离子学在未来人工智能、脑机接口技术中具有巨大潜能的Perspective文章。

这里介绍一下侯旭教授，他本科毕业于四川大学生物医学工程专业(创新人才班)，在国家纳米科学中心获得物理化学博士学位，在哈佛大学开展博士后的研究工作，2016年加入厦门大学并担任仿生多尺度孔道研究课题组组长，目前为国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划重点专项项目负责人、闽江科学传播学者（首批）等，出版了两本国际学术著作，并以第一或通讯作者在高水平学术期刊如Nature, Science, Nature Reviews Materials, National Science Review, Fundamental Research, Science Advances, Nature Communications等上发表论文，曾受邀作为央视CCTV科教频道《百家讲坛》栏目科学公开课的主讲人。现任世界顶尖科学家协会青年科学家委员会委员，国际仿生工程学会青年委员会委员，中国化学会仿生材料化学委员会委员，Chinese Chemical Letters高级编委，Advanced Fiber Materials、Acta Physico-Chimica Sinica、Chinese Journal of Applied Chemistry青年编委，National Science Review材料学科编辑工作组成员等。

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图文速递

图1. 纳流离子器件在模仿生物神经系统行为的研究

在离子通道结构多样性的指导下，具有不同几何形状的纳米限制在理论上和实验上已经产生了几种类型的离子和分子传输，可用于离子电子学。对于一维纳米限制，几何形状和内表面特性的不对称设计可以重现类似二极管的离子整流。生物纳米通道是可变形和动态的，最近获得了曲率可调的碳纳米管，用于实时调节离子整流。

二维材料——例如石墨烯、六方氮化硼和二硫化钼——为实验上可访问的二维纳米限制提供了途径。有研究表明与一维限制相比，平面限制扩大了离子传输的平移自由度，并会导致更大的离子相关时间和潜在的记忆效应。在他们的理论框架中，限制在两个石墨层之间的单层电解质显示出相当慢的动力学，允许在振荡电场下离子自缔合成簇（离子对和离子对的聚电解质链）。这种结合对于二价阳离子与单价阳离子（Ca²⁺与Na⁺）更强，并且会降低电导率。响应电压变化形成团簇并将它们解离成导电的自由离子所需的时间会导致非线性传导，从而形成忆阻效应的基础。因此，在忆阻器电压回路中，施加电压会产生更接近欧姆定律的线性曲线，在此期间自由离子自结合成簇。回到零电压后，观察到更大的电流下降，因为低电导率簇需要时间分解。这些基于 2D 通道的设备可用于产生类似于生物神经元产生的电压尖峰序列的电路。

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结论与展望

想象一下在未来你可以通过意识来控制手机、电视和汽车等工具，那会多么方便。美国杜克大学神经工程研究中心创始人、杜克大学医学院神经生物学教授、脑机接口技术先驱米格尔·尼科莱利斯教授认为脑机技术将会完全颠覆人类与世界的交互，当然更重要的是，也将改变人类之间的交互。之后我们不再需要语言，可以完全靠意识来进行交流，那个效率就不是文字和语言能比的了。而如果米格尔描述的未来成为现实，可以想见我们未来的生活和世界将会有翻天覆地的巨变。其实人的大脑可以看作是计算机，只是目前我们开发得比较少，许多科学家坚信人类大脑是开启宇宙秘密的钥匙，甚至有科学家认为，当人类大脑开发程度达到100%的时候，我们将会进入一个未知的世界，也许那才是真实的宇宙。有研究指出，如果大脑开发程度多出10个百分点，势必会造成食物的摄入大量增加，届时，人类很可能会变成一个时时刻刻都在吃东西的生物。同时大脑的高度活跃会打破人类整体的协调性，造成其他器官超负荷运作，如此状态极有可能造成人类的猝死。或许有时，某些高科技是不是人类曾经达到过但经过无数年又被进化掉的呢？正如我们每个人所知，科技进步是一把双刃剑，充满了令人期待的无限可能，也有让人忧心的很多不确定性。

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