基于离子传输而非电子的生物启发的人造感官传感器系统

基于离子传输而非电子的生物启发式感官传感器系统

基于离子传输的传感系统可分为三类-离子传感器，离子处理器和离子界面-所有这些集中于离子传输。

离子感官系统的概念受到生物系统中离子迁移的启发，该迁移是离子跨膜，通过离子通道的被动移动或通过离子泵的主动移动。

许多生物系统通过离子或分子传输信号，而人造传感器主要基于电子传输系统，即电子系统。这是基于电子传输的传感器与生物系统相互作用时仍然受到限制的原因之一。例如，在没有换能器的情况下，很难实现直接的人机界面，即生物电子界面，因为双方都说"不同的语言"。

生物系统包含许多纳米级离子元素，这些离子元素以离子通道和离子泵的形式存在于细胞膜中（"离子泵"是一种消耗能量以减少熵的过程，在该过程中，离子从低浓度向高浓度被主动转运） 。它们共同控制整个细胞膜上的离子浓度梯度，从而通过动作电位实现信息编码/解码。

这是生物体内的生物交流方式，也是从环境中检测和解释信息的方式。例如，哺乳动物对外部机械刺激具有很高的感知能力，以触摸，平衡，听觉和体内平衡感为代表，这些感觉都源自构成各种生理过程的离子机械传递现象。

在生物系统中，信息的初始化，处理和传输的成功与跨细胞膜的精确离子传输密切相关。针对细胞中浓度梯度的精确离子选择性，方向性和离子传输是所有电活动的分子基础。

尽管基于精确离子迁移的传感系统仍处于早期开发阶段，但纳米离子传感系统的最新进展突显了其巨大的潜力。

图1.基本的离子相关效应和基于离子迁移的感觉系统。A）双电层（EDL）形成的示意图以及相应的循环伏安图。B）电化学门控机理和相应的循环伏安图的示意图。C–E）离子传输，包括离子选择性，离子整流和离子泵。C）离子选择性：当纳米通道的直径与Debye长度相当时，靠近表面的双电层（斯特恩层和扩散层）重叠。这导致共离子从通道中排除，而抗衡离子可以通过。D）在不对称带电纳米通道中的离子整流：当纳米通道或膜的结构和/或表面电荷不对称时，离子以优先方向通过通道，而该优先方向在另一个方向上受到抑制。E）离子泵是从低浓度到高浓度以及能量消耗的主动离子传输。F）离子感官系统的一个典型示例，它基于精确的离子传输并可以实现信号转换级联：外部刺激→离子信号→生物信号。（经Wiley-VCH Verlag许可转载）（点击图片放大）它基于精确的离子传输，可以实现信号转换级联：外部刺激→离子信号→生物信号。

上面的图1说明了基于离子传输的传感系统的三个不同组件：离子传感器，离子处理器和离子界面。为了模仿这些生物离子过程，人工离子传感器将必须以超高的灵敏度和操作稳定性来实现类似的功能。

并且尽管已经基于不同的（纳米）材料（例如石墨烯）实现了各种离子传输功能，但是与当今的电子传感系统相比，人工离子传感系统的概念和布局仍处于初级阶段。

图2.离子感官系统的示例。A–C）离子传感器：A）离子机械感受器；B）离子热传感器；C）离子光电探测器。D–F）离子处理器：D）离子晶体管；E）离子决策者；F）离子忆阻器。G–I）离子界面：G）离子组织界面；H，I）离子电池界面。

哺乳动物的机械感受器传感器对于保护免受外部伤害至关重要。压电材料可以轻松用于构建基于电子传输的人工机械感受器传感器。随后，可以通过将压电薄膜与人工离子通道系统结合来实现离子人工机械感受器传感器（参见图2A）。

哺乳动物皮肤的另一功能是提醒外部热刺激，这是哺乳动物的自我保护功能之一。外部热刺激的检测源自皮肤热感受器细胞中对温度敏感的瞬态受体电位通道，该通道可以将热信号转换为离子信号，然后转换为动作电位以进行信息传递。受此生物热传感过程的启发，研究人员通过离子选择性膜开发了离子热电转换行为，通过该行为，外部温度刺激可以转换为离子信号（图2B）。

人工视觉系统的工作原理与此相似，研究人员已经通过聚合物氮化碳纳米管膜开发了一种基于离子传输的光电探测器，该探测器具有自供电功能，并且具有高选择性，高灵敏度和高稳定性的优点（图2C）。

基于离子传输的过程可以应用于信号处理和信息存储。晶体管构成了微电子学和现代工业的骨干，主要由无机半导体材料制成，大多数情况下由硅制成。一些电解质门控场效应晶体管和有机电化学晶体管已经通过离子积累引起的双层电容或离子渗透而工作，但仍主要基于电子传输。

基于全离子传输的晶体管的开发将为实时调节/控制来自生物体的信号提供独特的机会。科学家已经表明，质子和离子都可用作制造"离子晶体管"的电荷载体，但是，在大多数情况下，离子晶体管很难调节，因为纳米约束中的质子和离子传输都受到表面电荷或外部施加电势产生的局部电场的影响，另一方面，这也提供了独特的机会。

例如，最近开发的电调制离子晶体管基于层状石墨烯基纳米多孔膜中的可调纳米约束（图2D）。由于石墨烯具有出色的导电性，因此可以将栅极电势直接施加到膜上，从而可以调节包围在石墨烯材料层之间的双电层厚度，然后控制离子通量，即离子电流。

在生物学中，细胞和组织使用精细调节的离子通量进行细胞内和细胞间通讯。这些离子界面是基于离子传输的连接元件，可以充当电子系统和生物系统之间的接口设备。

迄今为止的研究表明，离子接口是外部信号（包括光信号，电信号和热信号）与生物信号之间强大的桥接模块。

但是，离子界面的未来发展不仅应着眼于对生物组织的"说话"，而且还应着眼于对生物语言的"阅读"。一旦实现了这种双向通信，人工智能与生物智能之间的真正通信就不应遥不可及。

图3.可预测的离子感官系统，它由三部分组成：离子传感器，离子处理器和离子界面。离子是实现以下信号转导的潜在候选者：外部刺激→人工智能数据处理→生物系统。

为了模仿生物体内生物信号和信息的实时处理和操纵，未来的离子感官系统应包含所有必不可少的元素：离子传感器，离子中央处理器和离子接口（图3）。通过集成这些组件，将获得具有信号转导和信息处理功能的"更智能"人造设备，其工作方式与生活系统无二致。