诸如感知系统等人工设计的生物过程，仍然是有机电子专家面临的一项具有挑战性的目标，因为人类的感官依赖于一个由感觉神经元构成的适应性网络，该网络通过响应环境刺激而放电来进行通信。

西北大学和乔治亚理工学院的一项新合作推动了该领域的发展，他们研发出了一种高性能有机电化学神经元，可在人类神经元的频率范围内工作。他们还通过设计其他有机材料并将工程神经元与人工触觉受体和突触相结合，创建了一个完整的感知系统，从而能够实时感知和处理触觉信号。

相关研究论文近日发表于《美国国家科学院院刊》（PNAS），该研究有望推动智能机器人和其他系统的发展，目前的智能机器人和系统由于传感系统不如人类强大而受阻。

有机电子领域的进步

“本研究突显了有机电子学及其弥合生物与技术之间差距的应用所取得的重大进展，”第一作者、西北大学工程系教授姚尧说。“我们创造了一个高效的人工神经元，其体积更小，神经元特性更突出。利用这一特性，我们开发了一个完整的触觉神经形态感知系统，以模仿真实的生物过程。”

据本文通讯作者、西北大学温伯格文理学院查尔斯·E·莫里森与艾玛·H·莫里森化学教授托宾·J·马克斯称，现有的人工神经网络往往只能在有限的频率范围内发射。

“本研究中的合成神经元在放电频率调制方面达到了前所未有的性能，其范围比现有的有机电化学神经回路宽50倍，”马克斯（Marks）说，“相比之下，我们设备的神经元特性十分突出，是有机电化学神经元领域的一项先进成果。”

研究的主要贡献者

Marks在金属有机化学、化学催化、材料科学、有机电子学、光伏学和纳米技术等领域处于世界领先地位。他还是西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程教授和化学与生物工程教授，同时也是应用物理学教授。本文的另一位通讯作者安东尼奥·法切蒂为佐治亚理工学院材料科学与工程学院教授，同时也在西北大学担任化学系兼职教授。

法切蒂（Facchetti）说：“本研究首次提出了基于人工神经元的完整神经形态触觉感知系统，该系统集成了人工触觉受体和人工突触。本研究证明了该系统能够实时将触觉刺激编码为脉冲神经元信号，并将其进一步转化为突触后反应。”

该团队跨越了不同的院系，专门从事有机合成的研究人员创造出了先进材料，然后电子设备研究人员将这些材料融入到电路设计和制造以及系统集成中。

人类大脑拥有由860亿个神经元构成的庞大网络，随时准备发射信号，而感知系统的复制仍然困难重重。科学家们在设计的尺寸和所能创造的数量方面均受到限制。研究团队希望在未来的模型中进一步缩小设备尺寸，使该项目在完全模拟人类感知系统方面更进一步。

参考文献：2025年1月8日，《美国国家科学院院刊》发表文章“用于神经形态感知系统的有机电化学神经元”，作者为姚尧、Robert M. Pankow、黄炜、吴翠、高琳、Cho Yongjoon、陈建华、张大勇、Sakshi Sharma、刘晓雪、王宇阳、彭波、Sein Chung、Kilwon Cho、Simone Fabiano、叶尊忠、平建峰、Tobin J. Marks和Antonio Facchetti。DOI：10.1073/pnas.2414879122

本研究得到了空军科学研究办公室（FA9550-22-1-0423）、西北大学材料研究科学与工程中心（MRSEC；美国国家科学基金会DMR-230869奖）、Flexterra公司、中国国家杰出青年科学基金（编号32425040）以及中国国家自然科学基金（批准号32201648）的资助。