生物神經系統能夠高效、無縫地集成感知與動作，這一能力源于其高度協同的神經結構與信號處理機制。然而，在當前基于傳統電子架構的神經形態系統設計中，感知單元與運動控制單元通常在物理結構和信號路徑上相互分離，這種割裂使得系統難以實現類似生物的實時協調與閉環適應能力。因此，如何在硬件層面實現感知-動作的深度融合，已成為發展下一代仿生智能系統的關鍵挑戰。

基于此，南開大學徐文濤教授團隊成功研發了一種專為神經形態計算與肌肉驅動設計的柔性裝置。每個獨立裝置組件均模擬了神經計算中關鍵的突觸功能，而整體裝置則響應傳出神經肌肉指令，模擬肌肉驅動行為。這些特性源于密集排列的親水性納米級通道，以及高熵、錯綜復雜的銀納米線網絡，用于捕獲并儲存水合陽離子。利用顯著的形變效應，作者展示了危險檢測避障機器人，以及針對任意編程形狀的多維集成，如360°全景信息捕捉和軟體生物形變，其中對刺激的局部響應被整合以實現任意協調運動。這些成果為未來柔性電子與仿生系統的發展開辟了重要途徑。

該文章以題為“Multidimensional free shape-morphing flexible neuromorphic devices with regulation at arbitrary points"發表在國際期刊《Nature Communications》上。

在脊椎動物的神經肌肉接頭處（圖1a），運動神經元的軸突末端失去髓鞘并膨大形成位于肌纖維溝內的膨大末端。突觸后膜有許多褶皺。當動作電位傳遞到運動神經元的膨大末端時，突觸小泡將囊泡內的乙酰膽堿（Ach）釋放到突觸間隙。Ach與肌膜上的煙堿型受體結合，激活運動終板電位，從而引起肌肉收縮。

為了復制神經肌肉接頭（NMJ）的復雜動態，研究團隊設計并制造了一種突觸-運動耦合器裝置（SMCD）（圖1b）。該結構采用單元細胞概念，將神經計算功能與三維任意表面柔韌性集成于單一裝置中。人工肌肉由離子致動器電驅動。通過電化學沉積制備了銀納米線（Ag-NWs）森林。工作電極使用了多孔氧化鋁模板（孔徑80納米），其一側涂有金（Au）層。施加電壓時，溶液中的Ag+離子滲入孔道，并在外部電場作用下還原為Ag金屬，孔道內形成Ag-NWs。用堿性溶液清洗后，暴露的Ag-NWs森林坍塌形成混亂的交織結構，為吸附和捕獲H+離子及其他水合陽離子提供了豐富的位點。隨后，將Ag-NWs森林嵌入PVA改性的PFSA離子聚合物中，形成SMCD的功能層。PFSA由疏水性四氟乙烯（TFE）骨架和親水性磺酸側鏈組成。PVA的羥基可作為氫供體，與PFSA的磺酸基形成氫鍵。PVA-PFSA 的整個下表面和一半上表面都用一塊Ag電極進行化學鍍（圖1b），以模擬施萬細胞。為了模擬突觸前膜，點狀Au電極通過蒸發沉積在其余的上表面。

突觸權重的調節是神經系統信息處理的生物學基礎。動作電位導致突觸后興奮和興奮性突觸后電流（EPSC），該電流在短時間內急劇增加。當點狀金電極受到-2V的尖峰刺激時，SMCD模擬了這一過程。當依次施加兩個相同的尖峰時，第二個脈沖后的EPSC顯著高于第一個脈沖后的EPSC（圖2a）；這種現象模擬了成對脈沖促進 (PPF)，這是一種典型的短期突觸行為。其中圖2K的多個不同尺寸的半球形模具，均是采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術（nanoArch® S130，精度：2μm）3D打印而成。

SMCD中PPF現象的原因在于，短期脈沖能夠驅動PFSA中的水合陽離子沿納米通道向陰極遷移，并在銀納米線森林捕獲層中積累，從而誘導形成雙電層，迅速提高器件沿厚度方向的導電性。在一次脈沖后，初始積累的離子會逐漸消散回其初始分布狀態。若在消散完成前施加第二次脈沖，則第二次捕獲的水合陽離子積累將與第一次的剩余部分疊加。PPF可通過PPF指數=(A2/A1)×100%28進行量化。

疼痛被定義為由實際或感知到的組織損傷引起的一系列不愉快感覺（圖3a）。當神經末梢受到外部損傷時，它們會產生沖動，這些沖動沿著軸突傳遞至傷害感受器，后者生成興奮信號，這些信號被整合并發送至中樞神經系統。生物疼痛感知的模擬對于神經形態機器人的發展具有重要意義。SMCD表現出SRDP和SNDP特性，因此可能適合模擬神經元功能，如傷害感受。

痛覺感受器的三個主要特征是閾值、松弛和敏感化，這些特征可以通過SMCD實現。結合SRDP和SNDP刺激器的促進作用模擬了一個過程，在該過程中，痛覺感受器在同一幅度的脈沖下逐漸被激活（圖3b）。通過計算以脈沖頻率和數量為函數的擬合EPSC擬合曲面的60%權重，確定了427 nA的激活閾值電流。本文中將該閾值定義為激活痛覺受體的充分電流。當信號的電流高于或位于閾值線右側時，會產生疼痛信號，而典型的無痛行為則表現為相反。此外，作者還構建了一個閾值觸發電路，該電路在EPSC電流達到閾值時生成寬度為110毫秒的電壓脈沖，復制了痛覺神經元的放電行為（圖3d）。

SMCD不僅能夠執行高級神經功能，還能產生肌肉驅動效應（圖4a）。當對金電極施加?3 V的電壓，持續時間為160毫秒，占空比為50%時，SMCD會產生微小的顫動動作，在電壓移除后，其電流迅速下降。相比之下，當施加相同電壓刺激于銀電極時，電流信號迅速飽和，然后逐漸下降（圖4b）。在這些過程中，SMCD會強烈彎曲，甚至彎曲達到360°形成一個圓圈。其機制涉及在施加電場中水合陽離子的遷移。當電壓未施加時，SMCD中的水合陽離子均勻分布在PFSA中。當施加電壓時，連續的銀電極能夠形成一個平面電場，以控制SMCD中大面積的離子遷移，增加遷移到陰極側的水合陽離子的比例（圖4a）。這些水合陽離子迅速遷移，當它們積累時，彼此之間的空間相互作用導致PFSAPVA膜陰極側的膨脹，從而使其向陽極側彎曲以實現激發。

為了利用這種變形效應，作者設計了一種用于360度全景視圖的應用，模仿了蝸牛的莖眼（圖4d–g）。作者還通過激光切割制造了一種受四爪捕蠅草啟發的軟體機器人。通過在整個表面施加均勻電壓，可以輕松實現軟結構的閉合（圖4h）。同時，作者發現通過設計和組合接收刺激電壓的電極形狀，能夠實現局部溶脹的軟物質電容式驅動器（SMCDs），從而實現任意的多維變形（圖4k）。