EGaIn 管状忆阻器在生物时间尺度上提供可靠的开关

像大脑一样“思考”的液态电路

计算机和大脑使用截然不同的电学语言。硅芯片速度快但刚性很强，而我们体内的神经细胞依赖缓慢的流体化学过程。本文介绍了一种由微小管内液态金属构成的新型电子元件——其行为更像生物突触而非传统晶体管，能够在恰当的时间窗口内开关，以便直接与活体组织通信或支持脑启发式计算。

为何需要新型的记忆开关

工程师长期以来一直在寻求“忆阻器”——那种电阻会记住过去信号的电子元件，以构建能够从数据中学习的快速、低能耗计算机。现有大多数方案是固态器件，通过在固体材料内形成和溶解纳米尺度金属丝来工作。由于这些金属丝仅有数个原子宽并以随机方式生长，器件在每次使用和不同芯片之间往往表现不一致，限制了其在大规模应用中的可靠性。

管内的金属液滴

为摆脱固态金属丝的随机性，作者转向基于共晶镓铟合金（EGaIn，一种室温液态金属）和氢氧化钠（NaOH）溶液的液态体系。他们在毫米尺度的塑料管内放置两个小的 EGaIn 区域，并以液体电解质将它们分隔。铜或镀金电极从外部接触每个金属区域。当沿管施加一个适度电压（远低于 1 伏）时，电极间的电阻可在低态和高态之间高度可重复地跃变，从而赋予器件忆阻器的关键特性。由于活性区域是光滑的液体界面而非脆弱的金属丝，许多原子共同作用，平均掉随机波动，使得器件在数千次开关循环中表现稳定。

生长的“皮层”如何控制电流

开关来源于在液态金属表面可逆形成的一层“皮层”。在碱性溶液中，EGaIn 表面的镓原子可以被氧化形成氧化物及相关化合物，表现为一层薄的绝缘膜。通过对单个金属—电解质界面进行精细研究，团队显示增加电压首先加速氧化，然后达到某一点，生长的薄膜阻止进一步反应并使电阻急剧上升。当电压降低或反向时，薄膜溶解，金属表面恢复到更导电的状态。在完整的管状器件中存在两个串联的此类界面；当电压在正负之间摆动时，一侧氧化而另一侧还原，产生对称的、具有滞后的电流—电压曲线，并有明确定义的“关断”和“导通”阈值。

在生物速度下的开关

除了基本的开—关行为外，作者还探测了这些液态开关的响应速度。通过短脉冲电压和电路测量，他们发现器件关断约需 20–25 毫秒，重新导通约需 150 毫秒——与许多生物系统中的神经与感觉过程的时序相当。阻抗谱表明，除了电阻变化外，器件还表现出类似记忆的电容行为，暗示出与生物膜类似的更丰富动力学。重要的是，这些器件在多日使用中保持可靠工作，开关电压只有小幅漂移。

将逻辑功能置于记忆内部

为演示实际用途，研究人员将两个此类管状器件连接起来，展示了它们在同时存储结果的情况下执行基本逻辑运算的能力。将低电阻态视为逻辑“1”、高电阻态视为“0”，并施加精心选择的电压脉冲后，他们构建了简单的 AND 与 OR 门。在这些电路中，一个忆阻器的最终状态直接编码逻辑运算的结果，这是“存内计算”的一个例子：在同一物理元件中既处理又存储数据，而无需在独立的逻辑与存储单元之间来回传输。

对未来器件的意义

这项工作表明，一个简单的充满液态金属与电解质的管子可以作为一种高度可靠、低电压的忆阻器，其开关速度天然匹配生物时间尺度。由于活性区域是液态且光滑，器件避免了困扰固态设计的许多随机性问题，同时仍在与现有存储技术相当的电压下工作。通过进一步微型化与材料优化，此类液态忆阻器有望降低能耗并集成到柔性、软性电子器件中。它们在时序和物理学方面与神经组织的相似性提示了潜在应用：神经义肢、脑—机接口以及能够实时学习与响应的自适应信号处理硬件。

引用: Pershin, Y.V., Patel, L., Bera, B. et al. EGaIn tube memristors offering reliable switching on a biological time scale. Commun Mater 7, 104 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01113-0

关键词: 液态金属忆阻器, 类脑计算, 存内逻辑, 脑机接口, 基于氧化物的开关