生物智能产生于对外界信息的快速感知、联想学习和长期记忆，这些过程从根本上由离子的选择性传输和动态弛豫控制。受生物系统和结构的启发，合成柔性离子材料，如水凝胶和离子凝胶，已经实现了仿生皮肤的感知功能。然而，对于高阶功能（如学习和记忆）的能力仍然缺乏。
东华大学武培怡/雷周玥团队提出了一种具有自适应离子双层（IDL）界面的双层离子凝胶，其IDL由阳离子-π相互作用形成，可以调节离子的快速响应和慢弛豫动力学。快速的离子响应和传输使其具有感知和学习功能，而缓慢的离子松弛支持长期记忆。
图1. 基于阳离子-π相互作用和IDL的双层离子凝胶设计
离子凝胶设计的灵感来源于生物感觉神经系统的细胞膜门控结构。疏水且环境稳定的[EMIM]+ [TFSI]-离子液体作为主要离子载体。阳离子聚丙烯酸酯块体（CPB）和中性聚丙烯酸酯块体（NPB）组成双层结构，两层之间形成Janus结构的IDL。其中，NPB的阳离子和阴离子的传输速率相似，比CPB中的阴离子输运速率慢，而比CPB中的阳离子输运速率快。
图2. 双层离子凝胶的联想学习功能
双层离子凝胶展现出非线性整流效应，并表现出类似于在生物神经系统中的突触短期可塑性（STP）。还可通过正向与反向脉冲，对离子凝胶实现不同的信息写入和擦除状态。同时，双层离子凝胶能够模拟经典的巴甫洛夫条件反射。这种学习行为是由每次刺激后缓慢离子松弛的累积形成。缓慢的松弛保留了先前刺激的状态，使离子凝胶能够保留过去的学习经验。
图3. 双层离子凝胶的联想学习行为
双层离子凝胶对时间序列和间隔也具有进行编码和处理的能力。当施加由不同频率的正尖峰训练组成的刺激时，电信号响应随频率的变化而变化，可以产生不同的反应模式。值得注意的是，正向刺激和反向刺激的出现顺序，也显著影响离子凝胶的记忆曲线。反向刺激发生得越晚，记忆曲线衰减越快。
图4. 双层离子凝胶的多模态记忆
双层离子凝胶根据不同的训练次数和持续时间，从感觉记忆到短期记忆（STM）到长期记忆（LTM）的转换能够实现不同模式信息的编码、存储及检索功能。当训练时间从50秒增加到500秒时，双层离子凝胶展现出从STM到LTM的转变。此外，对于相同的总训练时长，多次训练（5组100 秒）的记忆效果也优于单次训练效果（500 秒）。这种功能类似于人类大脑反复学习后的记忆强化。此外，通过 STM 与LTM 转换模式与训练，凝胶阵列也展现出图案记忆、动态存储和信息加密的潜力。
图5. 离子凝胶整合信息感知、学习和记忆功能
双层离子凝胶基于其感知和、学习和记忆功能，可以控制机械臂产生类似捕蝇草的智能决策。捕蝇草对于单次刺激是没有反应的，只有对多次连续刺激，才会判断为有活物接触从而触发叶片关闭。这是一种低能耗的生物智能决策。而离子凝胶也可以实现类似的自主决策功能。对于低频按压无响应，高频按压触发响应并控制机械臂抓住小球，高频持续按压则控制机械臂进行抓取和旋转。
本研究通过引入IDL界面，双层离子凝胶实现了感知、学习、记忆和自主决策功能的集成，同时开辟了在凝胶类材料中实现电信号处理和调制功能的途径。
上述研究成果以“Bioinspired learning and memory in ionogels through fast response and slow relaxation dynamics of ions“为题在线发表于期刊《Nature Communications》上。该研究工作由东华大学完成，东华大学化学与化工学院博士研究生周宁为论文第一作者，东华大学雷周玥研究员和武培怡教授为论文通讯作者。感谢国家自然科学基金委（52433003和22305033）和中央高校基本科研业务费专项资金资助（2232024A-05）对该工作的资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-59944-3
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