具有集成光感受器和光突触功能的仿生纳流体离子电子器件

以光与离子“看”世界

我们对世界的大部分认知来自于眼睛。眼内将光转化为大脑能理解的微弱电信号。本研究展示了如何构建一种模仿这种自然机制的人工器件。它并不只依赖电子（像常规电子学那样），而是利用液体中流动的离子——更类似于生物细胞的工作方式。结果是一种小型、受光控制的系统，既能感知图像又能开始对图像进行初步处理，暗示了未来人工视网膜和更智能相机的可能性。

借鉴眼睛的设计理念

在人类视网膜中，专门的细胞捕捉光并将其转化为电信号，而相邻的连接则会调节并存储视觉场景的部分信息，帮助实现运动检测和图案识别等功能。新器件在一个微小结构内同时复制了这两类功能。它由一根中空的碳纳米管构成，内壁镀有一层二硫化钼，形成同轴的“管中管”结构。当这根中空纤维位于两个盐水储槽之间时，离子可以通过其内通道移动，有点像带电粒子穿过细胞膜。

将光转化为离子流

该设计的核心在于如何将入射光转化为定向的离子流。当光照射到纳米管时，电子从内层的二硫化钼向周围的碳层移动。这种内部电荷分离在管壁上创造出不均匀的电势分布。由于管表面天然带负电，它会吸引带正电的离子并排斥负离子。在单侧照明下，这种不平衡促使特定离子偏向一个方向移动，在无需外加电压的情况下产生可测量的离子电流。实验和计算机模拟都证实，这一效应源于光驱动的电荷分离，而不是简单的热效应。

作为光传感器的表现

当器件仅用两个端子并且没有额外电压接入时，它表现得像一种快速的光传感器——类似于眼睛的光感受细胞。光开关时离子电流响应迅速，其强度取决于光的颜色和亮度。较短波长的光（如紫光和蓝光）产生更强的响应，这与纳米管结构对这些颜色的吸收效率高度吻合。随着亮度、盐浓度和离子种类的变化，离子流可以在很宽的范围内调节。就性能而言，该器件产生的离子电流大于许多早期的光驱动纳流体系统，表明所设计的纳米管界面在光控离子输运方面尤其有效。

像微小的学习电路那样工作

通过添加第三个电连接并施加电压，同一结构开始模仿突触的行为——神经细胞之间可调节的连接。在脉冲光作用下，离子电流并非简单地开关；它表现出在光消失后仍保留的记忆样痕迹。紧密间隔的脉冲会使第二次响应比第一次更强，类似生物中的“短时可塑性”。更长或更频繁的光列则可将这种短暂的增强转变为更持久的变化，类似与学习相关的“长期可塑性”。根据光和电压的编排，器件可以逐步变得响应更有效，仿佛在通过重复的视觉体验进行练习和改进。

从简单感测走向智能视觉

研究团队不仅进行了基础测量，还使用这些器件的阵列来执行类似视觉的任务。这些器件环绕成一圈并在不同电压下驱动，当光从不同方向到达时，器件的响应各不相同。将这些基于离子的信号输入人工神经网络后，系统能够高精度识别图案的方向，甚至区分指纹脊纹等细微特征。通俗地说，单一光引导的离子通道既能“看”又能开始“理解”所见内容。这种集成感知与处理的方法有一天可能支持更像人眼的机器视觉硬件——紧凑、自适应，并能直接与生物组织接口对接。

引用: 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

关键词: 人工视网膜, 纳流体学, 离子电子器件, 类脑视觉, 光驱动离子传输