作為構建人工皮膚、柔性生物電子和類腦智能系統的重要基礎單元，有機電化學晶體管（ organic electrochemical transistor, OECT）因其低電壓工作、離子-電子耦合傳輸、柔性和生物兼容等優勢，被認為是模擬生物神經信號傳遞的理想器件平臺。尤其是 OECT 的工作過程與生物神經系統中的離子調控機制高度相關，使其在人工突觸、人工神經元和神經形態傳感系統中展現出巨大潛力。然而，目前已報道的 OECT 人工神經元通常依賴復雜電路結構、多個晶體管或特定材料/電解質組合，難以同時兼顧低功耗、結構簡潔、材料通用性以及多模態感知信號的融合與解碼。

為了解決這一問題，南洋理工大學何強研究員、Wei Lin Leong教授、Nripan Mathews教授團隊創造性地開發了一種基于n型累積模式OECT的對稱交叉耦合有機人工神經元（SCONe）。該系統僅使用兩個相同的 n 型 OECT 作為核心有源器件，即可在單一輸入電壓調控下模擬 10 種生物相關神經放電行為；同時，該結構適用于 BBL、Cl?-BAL 和 p(C?NDI-T) 等多種 n 型半導體材料，并可在 PSSNa、KCl、NaCl 和 PBS 等不同電解質環境中穩定工作。值得注意的是，BBL 基 SCONe 的最低功耗可低至 0.18 μW，并在超過 600 萬個連續脈沖周期后仍保持穩定輸出，顯示出優異的低功耗和長期運行穩定性。

進一步地，研究團隊將該人工神經元與離子、光、壓力和溫度等多種刺激輸入耦合，實現了多模態信號的神經形態編碼、融合與選擇性解耦，并通過人工脈沖成功誘導捕蠅草葉片閉合，展示了其在人工皮膚、柔性傳感、生物接口和有機神經形態系統中的應用潛力。該研究以 “n-Type Accumulation-Mode Organic Electrochemical Transistors as General Building Blocks for Low-Power Organic Artificial Neurons Enabling Multimodal Sensing Integration” 為題發表在《Advanced Functional Materials》上。

【仿生觸覺感知與有機人工神經元設計】

人類皮膚中分布著大量壓力、溫度和疼痛感受器，能夠將外界刺激轉化為具有時間和空間特征的神經脈沖信號，并通過感覺神經傳輸至中樞神經系統進行融合和處理。這種“刺激—脈沖—解碼”的信息處理方式具有高效、低功耗和并行處理等特點，為人工皮膚、柔性傳感和神經形態器件提供了重要仿生思路。

受生物神經系統啟發，作者構建了一種對稱交叉耦合有機人工神經元 SCONe。該電路由兩個相同的 n 型累積模式 OECT 與電阻、電容元件組成。兩個 OECT 以推挽方式交替導通和關閉：當一個晶體管處于開啟狀態時，另一個晶體管關閉；隨后狀態發生反轉，從而形成穩定的周期性脈沖輸出。

在這一過程中，電容類似于生物神經元膜電位的積分單元，可以不斷積累電荷；OECT 則類似于閾值激活的離子通道，當電壓達到閾值后觸發狀態切換并產生脈沖信號。因此，SCONe 可在簡潔電路結構下模擬生物神經元的動作電位放電過程。

圖1. 生物觸覺感知系統、人工突觸 OECT 及 SCONe 有機人工神經元結構示意圖

【兩個OECT構建穩定神經樣脈沖輸出】

作者首先系統研究了 SCONe 的基本脈沖輸出行為。實驗結果顯示，兩個輸出端可產生對稱的脈沖信號，兩個 OECT 的柵極電壓隨時間交替變化，說明該電路能夠在不同狀態之間自主切換并產生穩定神經樣振蕩。

SCONe 的脈沖頻率可以通過調節電路中的電容和電阻進行控制。當電容減小時，電路充電至閾值所需時間縮短，脈沖頻率隨之升高；改變電阻值也可調控 RC 時間常數，從而實現對神經樣放電頻率的精細調節。通過電阻和電容參數調控，SCONe 可覆蓋從低頻到較高頻率的脈沖輸出范圍，顯示出良好的可調性。

為了進一步驗證其仿生感知能力，作者將壓阻式壓力傳感器引入 SCONe 電路。外界壓力會改變傳感器阻值，進而調控電路時間常數和輸出脈沖頻率。實驗結果表明，隨著壓力從 5 kPa 增加到 55 kPa，SCONe 的放電頻率明顯升高，說明該系統可以將機械刺激強度編碼為神經樣脈沖頻率。

更重要的是，作者進一步將 SCONe 輸出脈沖接入捕蠅草葉片。捕蠅草通常可通過機械刺激觸發閉合，而在本研究中，SCONe 產生的人工脈沖也可誘導捕蠅草葉片在數秒內閉合，展示了有機人工神經元與生物系統進行功能交互的可能性。

圖2. SCONe 的脈沖輸出、頻率調控、壓力響應及捕蠅草生物接口展示

【材料通用的低功耗SCONe】

許多已有 OECT 人工神經元依賴特定半導體材料、電解質體系或特殊器件響應，這在一定程度上限制了其可擴展性和應用通用性。本文提出的 SCONe 則主要依賴 n 型累積模式 OECT 的普遍閾值導通行為，而不是某一種材料的特殊性質，因此具有更好的材料通用性。

為驗證這一點，作者分別使用 BBL、Cl?-BAL 和 p(C?NDI-T) 三種 n 型聚合物半導體構建 OECT，并進一步搭建 SCONe 電路。實驗結果顯示，三種材料體系均能夠產生穩定神經樣脈沖輸出，說明該結構可作為適用于多種 n 型累積模式 OECT 的通用人工神經元構建模塊。

在低功耗方面，作者通過調節電路中 R1 和 R4 的阻值來限制流經晶體管的電流，從而降低整體功耗。結果顯示，BBL 基 SCONe 的最低功耗可達 0.18 μW，對應單脈沖能耗為 3.1 μJ；Cl?-BAL 基 SCONe 和 p(C?NDI-T) 基 SCONe 的最低功耗分別為 0.25 μW 和 0.35 μW，同樣達到亞微瓦級低功耗運行。

此外，SCONe 還表現出優異的長期穩定性。基于 BBL 的器件在室溫空氣環境下存放 6 個月后仍可保持穩定放電，并且連續運行 15 天、超過 600 萬個脈沖周期后，脈沖幅值和頻率未觀察到明顯漂移。這一結果表明，SCONe 具備長期穩定運行的潛力，可滿足可穿戴電子、生物接口和邊緣神經形態系統對低功耗與穩定性的需求。

圖3. 不同 n 型聚合物構建的 SCONe 及其低功耗表現

【單一輸入電壓模擬多種神經放電行為】

生物神經元能夠根據刺激強度和初始狀態表現出豐富的放電模式，例如持續放電、相位放電、爆發放電、反彈放電和抑制誘導放電等。能否在簡潔電路中復現這些神經動力學行為，是評價人工神經元仿生能力的重要指標。

本文中，SCONe 僅通過調節單一輸入電壓 Vin，即可模擬 10 種生物相關神經放電行為，包括峰值延遲、強直性放電、時相性爆發、時相性放電、亞閾值振蕩、第二類放電、反彈放電、抑制誘導放電、積分器、不應期。相比許多需要多個電壓源、多個電流源或復雜電路重構的神經形態系統，SCONe 在調控方式和電路復雜度方面具有明顯優勢。

例如，在接近閾值電壓時，SCONe 可表現出放電延遲現象，并且隨著輸入電壓增大，放電延遲時間逐漸縮短，這與生物神經元中更強刺激誘導更短響應延遲的行為相似。當輸入電壓進一步升高時，SCONe 可依次表現出持續放電、相位爆發和相位放電等典型神經元響應。

此外，作者還通過設置初始偏置電壓，實現了亞閾值振蕩、Class 2 放電、反彈放電和抑制誘導放電等更加復雜的神經行為。這些行為來源于交叉耦合 RC-OECT 電路中的充放電動力學、晶體管閾值導通特性以及兩個 OECT 之間的互斥切換機制。

作者進一步利用 SPICE 模型對 SCONe 電路進行仿真，結果表明模擬輸出與實驗觀察到的多種神經放電模式高度一致，進一步驗證了該電路結構用于模擬神經動力學行為的合理性。

圖4. BBL 基 SCONe 模擬多種神經放電行為的實驗結果與 SPICE 仿真結果

【離子、光和壓力刺激調控神經樣放電】

OECT 的重要優勢之一是能夠在液體和電解質環境中工作，這使其非常適合用于生物電子和神經接口系統。作者進一步研究了 SCONe 在不同液體電解質環境中的運行特性，發現其可在 KCl、NaCl 和 PBS 等電解質中實現穩定的電壓調控脈沖輸出。

在不同離子濃度下，SCONe 的放電延遲表現出明顯變化。隨著 KCl 或 NaCl 濃度從 0.1 M 增加至 0.5 M，脈沖啟動延遲顯著縮短。這說明更高的離子強度能夠加速 OECT 中離子傳輸以及電化學摻雜/去摻雜過程，從而使神經樣放電更快啟動。這一行為與生物神經元中離子濃度影響興奮性和放電閾值的機制相呼應。

為了進一步展示外界感知信號對 SCONe 的直接調控，作者還將鈣鈦礦光探測器與 SCONe 耦合，構建了光驅動神經形態感知系統。光探測器在光照下產生電壓輸出，并直接連接至 SCONe 輸入端。隨著光強從 0.103 mW cm?2 增加至 0.205 mW cm?2，SCONe 的放電行為可在亞閾值振蕩、持續放電、相位爆發和相位放電等模式之間切換，顯示出光強調控神經元放電模式的能力。

在機械刺激方面，作者將壓力傳感器與 SCONe 電路耦合，使壓力信號通過電壓調制方式作用于人工神經元。隨著外加壓力變化，SCONe 可產生不同神經樣放電模式，進一步證明其能夠將機械刺激強度轉化為具有生物相關性的脈沖信號。

圖5. 離子濃度、光照強度和壓力刺激對 SCONe 神經樣放電行為的調控

【多模態感知信號的融合與選擇性解耦】

人類感知系統不僅能夠同時接收觸覺、溫度等多種刺激，還能夠在神經系統中對這些混合信號進行融合和區分。對于人工皮膚和柔性神經形態系統而言，實現多種傳感信號的集成、傳輸和解碼同樣十分關鍵。

基于 SCONe 的可調脈沖輸出特性，作者構建了一種神經形態多模態感知系統。該系統由兩個 SCONe 組成，分別與壓力傳感器和溫度傳感器耦合。其中，壓力通道和溫度通道分別產生不同頻率范圍的脈沖信號，并最終合成為一個混合輸出信號。

由于兩個感知通道具有不同的頻率特征，混合信號可以通過頻分復用方式進行選擇性解耦。作者分別利用低通濾波和高通濾波提取溫度誘導脈沖和壓力誘導脈沖，從而實現對溫度和壓力信息的獨立還原。解耦后的信號能夠準確反映對應外界刺激的變化，說明該系統可有效模擬生物感知系統中多模態信號融合與解碼過程。

這一結果表明，SCONe 不僅是一個能夠產生神經樣脈沖的人工神經元單元，還可以進一步作為多模態傳感、信號融合和神經形態編碼的通用模塊。該策略有望用于人工皮膚、柔性機器人、智能假肢、可穿戴電子和生物電子接口等領域。

圖6. 基于 SCONe 的壓力-溫度多模態神經形態感知系統及信號解耦結果

總結

作者提出了一種基于 n 型累積模式 OECT 的對稱交叉耦合有機人工神經元 SCONe。該系統僅由兩個相同的 n 型 OECT 作為核心有源器件構成，在顯著簡化電路結構的同時，實現了低功耗神經樣脈沖輸出和多種生物相關神經放電行為模擬。

與以往依賴特定材料或復雜電路結構的 OECT 人工神經元相比，SCONe 具有更好的材料通用性和系統可擴展性。該結構可適用于 BBL、Cl?-BAL 和 p(C?NDI-T) 等多種 n 型聚合物半導體，并可在 PSSNa、KCl、NaCl 和 PBS 等電解質環境中穩定運行。同時，BBL 基 SCONe 的功耗可低至 0.18 μW，并可在超過 600 萬個連續脈沖周期后保持穩定輸出。

進一步地，SCONe 可將離子、光、壓力和溫度等多種外界刺激轉化為神經樣脈沖信號，實現多模態感知信息的融合與選擇性解耦，并可通過人工脈沖與捕蠅草等生物系統實現功能交互。因此，該工作為構建低功耗、柔性化、材料通用的有機神經形態系統提供了新的器件架構和設計思路，有望推動人工皮膚、可穿戴傳感、生物電子接口和類腦智能硬件的發展。