东华大学张耀鹏、范苏娜∣ACS sensors：基于纤维状生物忆阻器的仿生人工伤害感受报警系统
伤害感受器是人体内的关键感觉受体，可以识别有害刺激并将信息传递给中枢神经系统，以避免对人体造成严重伤害。开发人工伤害感受器对于保护失去疼痛感的患者在危险环境中免受伤害具有重要意义。忆阻器是一种非线性电阻器，其电阻状态可以通过电输入进行调节，并在去除电刺激后进行记忆，还可以产生电刺激阈值和多电阻状态，这些功能与突触和神经元信号等生物传感器系统高度相似。
近日，东华大学纤维材料改性国家重点实验室张耀鹏、范苏娜团队报道了基于纤维状生物忆阻器的仿生人工伤害感受报警系统。该系统可模拟多种伤害感受特性，实现对多种压力刺激位置和程度的实时感知，集成了伤害感受、监测和传输功能，为实现电子皮肤、医疗设备、脑机接口和其他生物传感系统提供了新的途径。相关研究成果以题为“A Bioinspired Artificial Intelligent Nociceptive Alarm System Based on Fibrous Biomemristor”发表于ACS sensors。论文第一作者为东华大学博士张艺，共同通讯作者为东华大学张耀鹏研究员、范苏娜副研究员和韩芳教授，东华大学硕士邢恒拓、北京航空航天大学李进教授为共同作者。
图1. 生物伤害感受器与基于纤维忆阻器的人工伤害感受器的示意图及其制备流程
纤维忆阻功能层由电沉积反应制备，在电场中，丝素蛋白（SF）分子向阳极迁移，引发电凝胶反应，使SF沉积在电极上。在沉积过程中阳极附近产生氧气，同时pH值降低，这一过程类似于蚕纺丝时腺腔发生酸化（pH≈4.8），引发SF溶液的溶胶-凝胶转变。随后，通过在SF忆阻功能层周围包裹银纤维来制造SF纤维忆阻器，这种设计可以进一步扩展，以创建基于电子织物的忆阻器阵列。
图2. SF纤维忆阻器的忆阻性能和伤害感受功能
当沉积时间增加到1500 s时，器件表现为较稳定的双极性电阻切换行为。在限制电流为10-7 A时，启动与复位电压分别为0.1~0.2 V、-0.2~-0.1 V，其启动与复位功率仅为10 nW左右。上述忆阻性能优于已报道的SF基忆阻器，并可与低功耗的无机忆阻器（如HfSe2、2H-MoS2等）相媲美，有望用于低功耗存储、集成电路、人工神经网络等。此外，SF纤维忆阻器可在不同限制电流下（10-7 A~ 10-5 A）发生电阻切换，且Set电压呈现出逐渐减小的趋势，表现出良好的多级存储功能。此优良性能可归因于SF较高的β-折叠二级结构、电沉积过程中的离子引入及较小的忆阻单元尺寸（＜50 μm2）。SF纤维忆阻器可模拟EPSC、PPF、增强与抑制等类突触行为，同时可作为人工伤害感受器模拟“阈值触发”、“无适应性”、“松弛”和“致敏”等伤害感受特征。
图3. SF纤维基人工伤害感受器在不同压力下的响应电流与报警状态的工作演示
生物传感技术可以模拟神经形态装置受到外部传感刺激后的响应，在仿生电子领域具有重要的意义。本研究采用压力传感器模拟人体皮肤受到压力刺激的过程，当受到的压力信号超过系统阈值时，SF基人工压力伤害感受器将触发报警装置并向外界发送求助短信。SF纤维基人工压力伤害感受器与倾倒传感器为输入端，当倾倒传感器感应到载体摔倒时，则对开发板输入“1”。当载体受到短时轻击时，SF纤维基压力伤害感受器的响应电流未超过阈值，则对开发板输入“0”；当载体受到长时轻击、短时或长时重击，其响应电流均超出阈值，则对开发板输入“1”。随后，开发板立即对两组输入信号进行“AND”运算，若载体受重击后倾倒或长时间倒地不起时，则输出结果为“1”，后端连接的报警灯与通讯设备将被触发，即报警灯亮，蜂鸣器响，并向对接部门或家属立刻发送求助短信。
图4. SF纤维忆阻阵列的功能仿真
实际生活中生物伤害感受器受到的刺激可能同时来自于不同的部位，将具有柔韧性的SF纤维忆阻器集成并连接多个压力传感器，可实现全方位的压力伤害感受功能。采用模拟计算SF基柔性忆阻阵列对压力刺激源的完整监测，并将模拟结果中的触觉信息转换为灰度图和监测电压热力图，颜色较深的区域表示局部承受的压力较大，反之则表示局部所受压力较小。当手掌压力持续时间为0 s、3 s、7 s时，可明显看出随着压力持续时间的增长，灰度图中的掌印颜色逐渐加深，同时热力图的颜色逐渐变亮。该结果说明SF基柔性忆阻阵列可采集载体接收的触觉信息，同时具有良好的类神经突触的非线性传输特性。值得注意的是，该阵列不仅可监测载体在不同部位所承受压力的轻重，同时可直接反馈载体长时间所受压力伤害的程度，这对生物载体的医疗救助，或对电子载体的定点维护均具有重要意义。以上结果表明，基于SF基忆阻柔性阵列的压力伤害感受器为未来的电子皮肤、医疗设备、人机交互装置等提供了新的方案与设计思路。
此工作得到了上海市启明星计划、上海市科学技术委员会基础研究项目、国家自然科学基金和上海市领军人才计划资助的。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssensors.4c01568
