德国Jülich研究中心Dirk Mayer等综述：仿生电解液门控有机突触晶体管—从基础需求到应用突破

研究背景

随着人工智能的快速发展，传统冯·诺依曼架构的能效瓶颈日益凸显。人脑通过神经元与突触的并行信息处理机制，以超低功耗(约10飞焦/突触事件)实现复杂认知功能，为新一代神经形态计算提供了灵感。电解液门控有机晶体管由于具有低操作电压、离子-电子耦合特性、以及良好的生物相容性，在模拟突触可塑性以及感知能力方面具有重要的应用潜力。文章从电解液门控有机突触晶体管的基本特性出发，介绍了在模拟生物突触时对低能耗和可调突触可塑性的要求，以及这些要求如何受到有机材料、电解质、架构和运行机制的影响；总结了突触晶体管作为人工系统构建模块在感知应用的最新进展；最后展望了有机突触晶体管目前面临的挑战以及未来的发展方向。

Bioinspired Electrolyte-Gated Organic Synaptic Transistors: From Fundamental Requirements to Applications

Yuanying Liang,* Hangyu Li, Hu Tang, Chunyang Zhang, Dong Men, Dirk Mayer*

Nano-Micro Letters (2025)17: 198

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01708-1

本文亮点

1. 超低功耗特性：EGOSTs利用离子-电子耦合机制，工作电压可低至1 V以下，单次突触事件能耗低至0.06 fJ，接近生物突触水平(1-10 fJ)，较传统硅基器件降低6个数量级。

2. 动态突触可塑性：器件支持短时程可塑性(STP)、长时程可塑性(LTP)、脉冲时序依赖可塑性(STDP)等仿生功能，并能通过离子/神经递质浓度实现动态权重调节，为自适应学习提供硬件基础。

3. 多模态感知模拟：通过调控电解质成分、器件结构与材料化学特性，EGOSTs可精准模拟视觉、听觉、嗅觉、触觉等生物感知系统的信号处理机制，实现多模态感知融合。

内容简介

随着人工智能的飞速发展，传统冯·诺依曼架构因高能耗和并行计算能力不足，难以满足未来需求。生物神经网络通过突触实现超低功耗(10飞焦/事件)的并行信息处理与存储，为新型硬件设计提供了灵感。电解质门控有机突触晶体管(EGOTs)因其超低工作电压、生物相容性及离子-电子耦合特性，成为模拟生物突触功能的理想选择，为神经形态计算和感知系统开发开辟了新路径。然而目前尚未发表EGOSTs用于神经信号处理以及作为人工突触的关键指标等的综合论述。德国Jülich研究中心Dirk Mayer等人介绍了用于EGOSTs的有机半导体材料，器件结构、神经化学信号对器件性能的影响、衡量器件性能的关键性指标，包括器件的操作功耗和突触权重的精确调控，以及EGOSTs在人工视觉系统、嗅觉、味觉及柔性神经假体方面的应用，并总结了当前有机突触晶体管器件面临的挑战，如有机材料稳定性、生物相容性以及多模态集成。

图文导读

I 低功耗有机突触晶体管

人工突触晶体管需模拟大脑的并行、容错、高效能信号处理，具备低功耗、多导态、可调记忆保持及化学信号响应能力。生物启发有机人工突触超越冯·诺依曼计算机架构的关键指标之一是其显著的低功耗能力。人工突触的操作可分为编程(即突触前神经元的输入：写入或切换)和读取(突触后神经元的响应)。由于操作电压和电流直接取决于器件结构和通道材料，因此，本节主要介绍了影响电解液门控有机突触晶体管功耗的关键因素：人工有机突触器件的能耗由器件架构/几何形状、有机半导体的电导率以及器件的操作模式，如图1所示。

图1. 低功耗运行的电解液门控有机突触晶体管。

II 突触权重的精准调控

生物突触中，突触前膜的电压驱动离子迁移，改变突触后膜的电导。突触强度/电导由释放的神经递质和突触后膜上的受体共同决定。神经递质水平在神经退行性疾病或强烈情绪下可能异常。因此，实现线性多级电导状态和非易失性特性对于模拟突触行为至关重要，有助于神经网络模式识别和高效神经形态计算。如图2所示，有机通道的电导是所施加电压历史的结果，其多个状态取决于源漏通道的开关比。电导对门脉冲的响应取决于脉冲电压、持续时间、数量和频率。突触权重的保留时间是突触设备非易失性属性的反映，类似于大脑的学习和记忆功能。开发具有不同衰减常数的突触设备对于实现神经形态设备的广泛应用至关重要。

图2. 电解液门控有机突触晶体管模拟长期和短期可塑性。

2.1 通道材料对突触功能的影响

离子迁移是决定保留时间的关键因素。对于EDL控制的EGT，当去除栅极偏压时，界面上的离子可迅速扩散回本体溶液，导致电导切换过程小于1 ms。在离子可渗透/厚有机晶体管中，穿透有机膜的离子引起通道材料的电化学掺杂/去掺杂，保留时间可从几十毫秒到几分钟不等，取决于渗透深度。

2.2 电解液对突触功能的影响

电解液决定离子注入半导体通道的数量和速率，从而影响设备的突触功能。常用电解液包括水溶液、离子凝胶和离子液体。水溶液因成分与生理液体相似而成为生物电子学的理想选择。离子液体具有优异的电化学稳定性、宽电化学窗口、高离子电导率和热稳定性，是EGOT的优秀替代品。如图3和图4所示，离子凝胶结合了聚合物的机械兼容性和离子液体的离子电导性，适合用于柔性设备。

图3. 电解液中神经递质对突触可塑性行为的调控。

图4. 离子液体和离子凝胶对突触可塑性行为的调控。

2.3 机械变形对突触功能的影响

生物学中的突触是柔软且可拉伸的，能够轻松适应各种形式的机械变形。开发柔性和可拉伸的突触设备对于与生物组织共形集成以及在软机器中实现神经功能至关重要。如图5所示，可拉伸有机突触晶体管需要具有优异机械顺应性的栅极/源极/漏极电极、电解质、有机半导体和基底。机械变形会影响器件中离子-电子的传输速度，进而影响基本的突触功能。

图5. 机械变形对突触可塑性行为的影响。

III 生物感知系统的模拟

人类感知系统如嗅觉、视觉、听觉、味觉和触觉由感觉神经元组成，通过神经递质在突触间的扩散将信号传递给大脑附近的神经元，实现信号感知。EGOST的快速发展和传感设备的数字化过程，使得模拟生物感知功能和将数字技术与生物对应物和环境无缝集成成为可能，满足了构建仿生感知系统和神经元的日益增长的兴趣。

3.1 人工嗅觉系统

嗅觉是动物最古老的功能之一，对日常生活至关重要。如图6所示，人工嗅觉系统基于化学感受性离子凝胶门控电化学晶体管，能够特异性识别气味分子。通过整合人类嗅觉受体与人工突触设备，开发出了具有高特异性和准确性的人工嗅觉系统，实现了单气味和混合气味的精确识别。

图6. EGOTs用于嗅觉感知。

3.2 人工视觉感知系统

人类大脑通过视觉系统感知超过80%的外部信息。EGOST以其低工作电压、化学-离子-电子耦合、柔软性和生物相容性，成为模拟视觉感知的候选材料。如图7所示，通过将光活性材料整合到有机通道中，或在突触前栅极电极上进行光电化学转换工程，开发了能够感知、记忆和识别图像的光电化学突触。

图7. EGOTs用于视觉感知。

3.3 人工听觉系统

生物听觉系统通过耳蜗中的Corti将机械振动转换为电信号。如图8所示，利用离子液体的强电容耦合效应，构建了模拟声音方位检测功能的人工神经网络。开发了基于离子凝胶门控有机突触晶体管的三层人工神经网络，实现了声音定位功能。但当前所开发的系统仅能检测单个声源位置，无法区分嘈杂环境中的声学信号。

3.4 人工味觉系统

人类味觉系统能区分五种基本味道。图8基于EGOST的人工味觉系统通过检测目标化学物质的离子信号，模拟了味觉感知。

3.5 人工触觉感知系统

人类触觉系统通过一系列机械感受器感知皮肤上的触摸。如图8所示，基于EGOST的人工触觉系统通过整合压力传感器、有机环形振荡器和突触晶体管，模拟了触觉感知。人工传入神经与生物传出神经的集成，创建了混合反射弧，证明了人工触觉系统在神经机器人学和神经假肢中的潜在应用。

图8. EGOTs用于听觉、味觉、以及触觉感知。

3.6 人工神经元

EGOST在模拟神经元行为方面表现出色，具有低功耗、多级电导、可调保留时间和权重更新线性度等优点。如图9所示，研究者开发了基于有机电化学晶体管的有机电化学神经元(OECN)，通过离子调制实现了尖峰过程，并成功与捕蝇草集成，刺激其触敏反应。另外，通过在有机通道和电解质之间插入基于离子载体的选择性膜，实现了对离子载体的选择性处理，模拟了生物膜中离子通道的特异性。

图9. EGOTs用于人工神经元。

IV 总结

总的来说，电解质门控有机晶体管(EGOST)是模拟生物系统突触可塑性的合适候选者，能够模拟短期和长期可塑性，具有多级电导状态和可调保留时间。有机材料的柔软性、低电压操作以及与生物实体相同的液体环境操作，使得EGOST成为低功耗和便于与生物系统通信的理想选择。此外，它们在模拟神经感知和与生物系统接口以调节尖峰动态方面展现出巨大潜力。尽管在高性能有机半导体和晶体管的发展方面取得了显著进展，但仍存在一些需要克服的挑战，包括有机半导体的开发、多模式集成、生物相容性、长期耐久性等。此外，开发柔性和可拉伸的神经形态设备对于在与生物系统接口时实现更好的生物相容性以及未来的可植入应用至关重要。与生物神经网络的接口是进一步研究的重要领域，因为这可能导致对生物神经元的更深入理解、恢复和增强。这需要开发低模量设备以减轻免疫反应，并控制操作寿命以适应所需持续时间。因此，开发具有可控稳定性的基于水凝胶或可降解的EGOST可能是未来探索的方向。EGOTs作为下一代神经形态硬件的核心，正推动人工智能与生物系统的深度融合。从基础机制到感知应用，这一领域的研究将为医疗、机器人及脑机接口带来革命性突破。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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