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Ionic Potential Relaxation Effect in a Hydrogel Enabling Synapse-Like Information Processing

离子键合 突触 放松(心理学) 材料科学 纳米技术 化学物理 离子液体 离子 化学 神经科学 生物化学 有机化学 生物 催化作用
作者
Li Wang,Song Wang,Guoheng Xu,Youzhi Qu,Hongjie Zhang,Wenchao Liu,Jiqing Dai,Ting Wang,Zhiyuan Liu,Quanying Liu,Kai Xiao
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (43): 29704-29714
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c09154
摘要

The next-generation brain-like intelligence based on neuromorphic architectures emphasizes learning the ionic language of the brain, aiming for efficient brain-like computation and seamless human-computer interaction. Ionic neuromorphic devices, with ions serving as information carriers, provide possibilities to achieve this goal. Soft and biocompatible ionic conductive hydrogels are an ideal substrate for constructing ionic neuromorphic devices, but it remains a challenge to modulate the ion transport behavior in hydrogels to mimic neuroelectric signals. Here, we describe an ionic potential relaxation effect in a hydrogel device prepared by sandwiching a layer of polycationic hydrogel (CH) between two layers of neutral hydrogel (NH), allowing this device to simulate various electrical signal patterns observed in biological synapses, including short- and long-term plasticity patterns. Theoretical and experimental results show that the selective permeation and hysteretic diffusion of ions caused by the anion selectivity of the CH layer are responsible for potential relaxation. Such an effect allows us with hydrogels to enable synapse-like information processing functions, including tactile perception, learning, memory, and neuromorphic computing. Additionally, the hydrogel device can operate stably even under 180° bending and 50% tensile strain, expanding the pathway for implementing advanced brain-like intelligent systems.
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