南京大学/南洋理工大学/甬江实验室Nat. Mater.:用于高稳健神经形态假体的自修复水凝胶离子电子储存器

HIRE采用三端平面忆容结构，以聚乙烯亚胺（PEI）与聚丙烯酸（PAA）通过静电相互作用物理交联形成的自修复水凝胶（SHH）为介电层，激光诱导石墨烯（LIG）为电极。示意图显示，纳米尺度的双电层（EDL）动力学是其核心，即使经历切割、拉伸、压缩等机械变形，仍能维持稳定时序动力学。实物图呈现了器件在原始、按压、拉伸、切割贴合、愈合后按压及拉伸六种物理状态下的稳定性。荧光成像证实，愈合过程中PAA与PEI聚合物链相互渗透缠结，室温下愈合9 min后，水凝胶恢复初始应变耐力的77.8±2.8%。T-剥离测试表明，随着愈合时间延长，最大剥离力与剥离强度逐渐提升，趋近于完整样品水平。

电化学阻抗谱显示，输入（IN）-输出（OUT）电极对的阻抗约为IN-地（GND）和GND-OUT的两倍，这种不对称性赋予器件反时针滞后回线的忆容特性。器件对单脉冲表现出短期可塑性，2 s内衰减98.07%，且脉冲幅度与宽度可调控可塑性强度。成对脉冲易化（PPF）测试显示，脉冲间隔影响易化指数，符合生物突触特性。四比特二进制脉冲序列测试中，器件产生16种不同输出状态，t-分布随机邻域嵌入（t-SNE）分析表明，输出状态分离度显著提升，证实其能将输入转化为高维线性可分表征。

网络架构通过时分复用在时域建立虚拟互联节点，预处理阶段包括特征提取、基于衰减记忆的掩蔽及电压转换，输出权重通过一步线性回归训练获得。实测输出电压与基于双相指数模型的模拟结果高度吻合。Mackey-Glass时间序列预测测试中，均方根误差仅约0.137。在九项基准任务中，包括语音数字识别、手势识别、抓握力检测、手写数字识别、卵巢结构识别、虹膜分类、新冠检测、心电图诊断及人体动作识别，准确率均超过90%，其中心电图诊断采用3D掩蔽方法准确率达98.31%。

切割-愈合循环测试显示，器件完整时施加1 V、4.5 s电压脉冲可获得稳定基线响应，完全切割后输出信号中断，重新贴合后仅需 0.02 s 即可恢复至原始水平，信号衰减曲线与完整器件完全一致。记忆容量测试表明，在六种物理状态下，器件在短期记忆、奇偶校验、异或运算三项任务中的表现无统计学显著差异，证实时序处理能力不受物理变形影响。语音识别实验中，器件切割后重新贴合瞬间（~0.02 s）准确率达95%，愈合540 s后准确率维持 90%，全程无需重新训练输出权重。与现有自修复神经形态器件及生物有机体对比，HIRE 的神经形态愈合速度快数个数量级。

假体整合外部语音指令与内部生理监测，通过植入的HIRE识别“Run”与“Rest”指令，同时基于肌肉表面pH值（反映疲劳程度）动态调整神经刺激强度。实物图呈现了植入大鼠腿部肌肉附近的HIRE器件，通过印刷电路板（PCB）将识别结果转化为刺激信号作用于坐骨神经，诱导不同角度的腿部运动。pH分类测试中，器件对pH7.4（休息状态L1）、7.2（中度疲劳L2）、7.0（疲劳状态L3）的识别准确率达92.86%。闭环控制实验表明，当pH降至7.2时，系统自动将刺激幅度从5 V降至4 V，pH进一步降至7.0时降至3 V，腿部运动角度从38.2±5.4°逐步降至5.4±3.4°，避免乳酸过度积累；而开环控制则导致pH持续下降，引发潜在酸中毒。

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