Биоинспирированное нанофлюидное ионтронное устройство с интегрированными функциями фоторецептора и фотосинапса

Видение с помощью света и ионов

Большая часть того, что мы знаем о мире, приходит к нам через глаза. Внутри глаза свет превращается в крошечные электрические сигналы, понятные мозгу. В этом исследовании показано, как создать искусственное устройство, имитирующее этот прием природы. Вместо опоры только на электроны, как в обычной электронике, оно использует поток ионов в жидкости — более похоже на то, как действуют живые клетки. В результате получается компактная система, управляемая светом, которая одновременно может воспринимать изображение и начинать его обрабатывать, что намекает на будущие искусственные сетчатки и более «умные» камеры.

Заимствование идей у глаза

В человеческой сетчатке специализированные клетки улавливают свет и превращают его в электрические сигналы, а соседние соединения регулируют и сохраняют части визуальной сцены, помогая в задачах вроде обнаружения движения и распознавания шаблонов. Новое устройство копирует обе роли внутри одной крошечной структуры. Оно построено из полого углеродного нанотрубки, выстланной слоем дисульфида молибдена, образуя коаксиальную архитектуру «трубка-внутри-трубки». Когда это полое волокно помещено между двумя резервуарами с солевым раствором, ионы могут перемещаться по его внутреннему каналу, отчасти подобно заряженным частицам, пересекающим клеточную мембрану.

Преобразование света в поток ионов

Сердцем конструкции является способ, которым она превращает падающий свет в направленный поток ионов. Когда свет попадает на нанотрубку, электроны перемещаются из внутреннего слоя дисульфида молибдена к окружающему углеродному слою. Это внутреннее разделение зарядов создает неравномерный электрический ландшафт вдоль стенки трубки. Так как поверхность трубки по природе заряжена отрицательно, она склонна притягивать положительно заряженные ионы и отталкивать отрицательные. При одностороннем освещении этот дисбаланс выталкивает определенные ионы преимущественно в одном направлении, генерируя измеримый ионный ток без приложенного внешнего напряжения. Эксперименты и компьютерные моделирования подтверждают, что этот эффект происходит из‑за светоуправляемого разделения зарядов, а не простого нагрева.

Работа в роли датчика света

Когда устройство подключено только к двум клеммам и без дополнительного напряжения, оно ведет себя как быстрый датчик света — аналогично фоторецепторным клеткам глаза. Ионный ток быстро реагирует на включение и выключение света, а его сила зависит как от цвета, так и от яркости света. Более коротковолновый свет, например фиолетовый и синий, вызывает более сильные отклики, что тесно совпадает с тем, насколько эффективно структура нанотрубки поглощает эти цвета. По мере увеличения яркости или изменения концентрации соли и типа ионов поток ионов можно настраивать в широких пределах. По характеристикам устройство дает большие ионные токи, чем многие предыдущие нанофлюидные системы, управляемые светом, демонстрируя, что сконструированный интерфейс нанотрубки особенно эффективен в управлении ионами при помощи света.

Поведение как крошечная обучающаяся цепь

Добавив третье электрическое соединение и применив напряжение, та же структура начинает имитировать поведение синапсов — регулируемых соединений между нервными клетками. При импульсном освещении ионный ток ведет себя не просто как включение и выключение; он показывает следы, похожие на память, которые сохраняются и после прекращения света. Плотно расположенные импульсы вызывают более сильный второй отклик по сравнению с первым, что перекликается с «кратковременной пластичностью» в биологии. Более длинные или более частые серии световых импульсов превращают эту временную усиленность в более прочное изменение, аналогичное «долговременной пластичности», связанной с обучением. В зависимости от того, как программируются свет и напряжение, устройство может постепенно реагировать эффективнее, как будто «тренируется» и совершенствуется при повторяющемся визуальном опыте.

От простого восприятия к умному зрению

Команда пошла дальше простых измерений и использовала массивы таких устройств для выполнения задач, похожих на зрительные. Размещенные по окружности и работающие при разных напряжениях, устройства отвечают по‑разному, когда свет поступает с разных направлений. Подача этих ионных сигналов в искусственные нейронные сети позволяет системе с высокой точностью распознавать ориентацию узоров и даже различать детальные особенности, такие как гребни отпечатка пальца. Проще говоря, один светоуправляемый ионный канал может и видеть, и начинать интерпретировать увиденное. Такой интегрированный подход «восприятие‑и‑обработка» может в будущем поддержать аппаратное машинное зрение, работающее более похоже на человеческий глаз — компактное, адаптивное и готовое к прямому взаимодействию с биологическими тканями.

Цитирование: Liu, W., Duan, L., Zhang, X. et al. Bioinspired nanofluidic iontronic device with integrated photoreceptor and photosynaptic functions. Nat Commun 17, 3523 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70337-y

Ключевые слова: искусственная сетчатка, нанофлюидика, ионтронное устройство, нейроморфное зрение, перенос ионов, управляемый светом