在安全领域，生物识别技术扮演着至关重要的角色。指纹、虹膜、人脸识别等技术不断发展，为人们提供了便捷的安全验证手段。然而，这些技术均需要用户的主动配合，在某些场景下会带来不便，例如在公共场合使用指纹识别可能存在卫生问题。相比之下，湿度识别技术因其非侵入性、连续监测的特点，被视为生物识别领域的新兴技术之一。人体皮肤会不断蒸发水分，形成独特的微气候，反映着人体内部的生理状态。湿度传感器有望用于实时健康监测，实现疾病的早期预警和干预。例如，通过监测呼吸频率和潮气量等参数，可以早期发现呼吸道疾病；通过监测皮肤水分含量，可以评估皮肤健康状况等等。然而，现有的湿度传感系统存在诸多限制。传统系统采用独立传感器进行模拟数据采集，还需要模拟-数字转换器 (ADC)、数据存储和处理单元，导致复杂的硬件结构。此外，传统系统的串行数据处理方式会降低效率并增加功耗。受生物感知系统启发，我们提出了一种新型的类脑感知湿度神经元器件。人体中的湿度感受器能够感受到环境湿度，并通过一系列复杂的信号传递最终将信息传递至大脑，指导机体的行为。我们希望模仿这一过程，研发出能够同时感知、记忆和处理湿度的智能器件。忆阻器是一种新型的电子器件，因其多比特存储、超快开关速度、低功耗和高集成密度等特点，被认为是实现类脑感知系统的理想硬件选择。

基于此，深圳大学电子与信息工程学院韩素婷教授、吕子玉助理教授等尝试利用基于有机分子自组装策略实现忆阻性能综合提升，构建忆阻特性与湿度信号的关联，尝试构建湿敏阈值型忆阻器构筑湿度感知神经元，并应用于哮喘和阻塞性肺部疾病分类任务。该工作以“Development of Bio-Voltage Operated Humidity-Sensory Neurons Comprising Self-Assembled Peptide Memristors”为题发表在Advanced Materials（中科院一区，Nature Index期刊，影响因子：29.4）上（DOI：10.1002/adma.202405145），深圳大学为第一完成单位，论文第一作者为深圳大学电子与信息工程学院吕子玉助理教授，深圳大学微纳光电子学研究院硕士生朱世睿为共同第一作者，深圳大学韩素婷教授为通讯作者。

本工作基于前期工作基础（Matter，2021，4, 1702）的延续性研究，聚焦忆阻器能效提升和湿敏感知功能探索，提出了一种新型的湿敏感知神经元，该神经元基于自组装的环酪氨酸二肽纳米线(c-YY NW) 忆阻器。c-YY NW 是一种由两个酪氨酸组成的环二肽，具有独特的质子耦合离子扩散动力学特性和金属离子还原性。研究结果表明，该新型湿敏感知神经元不仅能够有效提升忆阻器能效，还具备出色的湿敏感知性能，为非侵入式健康监测和疾病检测提供了一种高效可行的新方法。

图1 研究思路及预期效果图

超低压忆阻器：利用湿敏的环酪氨酸二肽（c-YY）和分子自组装策略，可以构建晶肽的一维纳米线材料。该材料利用酪氨酸的金属离子还原性，可以有效降低导电丝阴极处银离子还原势垒。此外，该纳米线材料可以促进水分子吸附/解吸，并形成清晰的质子化通路，从而精确调控质子耦合离子迁移。这些特性使得该材料能够实现超低场驱动的导电细丝生长。本研究中，研究人员成功制备了生物级电压驱动（50-100 mV）的忆阻器。湿度编程探索及可调的弛豫时间：酪氨酸的亲水性赋予忆阻器独特的湿度编程特性和可调的弛豫时间。高湿度下，寡肽分子与银离子之间的作用力减弱，导致银离子迁移的活化能降低，进而使忆阻器阈值电压减小。此时，施加的电压（0.3 V）能够使忆阻器器件切换到高导电态。而低湿度下，0.3 V的电压不足以使器件切换状态，只能作为读电压使用。通过湿度场的回扫（相对湿度：30%-90%-30%），可以在恒定电压（0.3 V）的驱动下实现忆阻器电导态的可逆转变，从而实现湿度编程。研究表明，通过调节湿度场，可以实现三个量级以上的弛豫时间调控，为忆阻器在湿敏可调神经元上的构筑提供了性能支撑。

呼吸是维持生命的重要生理过程，其异常可能反映潜在的健康问题。心脏病、肺病、睡眠呼吸暂停和高热等疾病都会影响呼吸频率和深度。呼吸监测中的湿度感应技术为临床诊断和治疗提供了新的思路。例如，哮喘患者的呼吸频率正常，但潮气量（每次呼吸吸入/呼出的气体量）异常增大，表明每次呼吸排出的水分比正常人多。相比之下，阻塞性肺病患者的潮气量正常，但呼吸频率异常增高，即比正常情况更频繁地呼出水分。因此，开发能够同时进行湿度感应和处理的硬件系统，有望实现对这些肺部疾病的有效诊断。本研究基于湿敏忆阻神经元和脉冲神经网络，探索了该系统在肺部疾病监测方面的应用。结果表明，该系统在诊断哮喘和阻塞性肺病方面具有 92.68% 的准确率。

图2 湿敏神经元构筑及肺部疾病监测

项目支持：该研究得到了国家自然科学基金、广东省自然科学基金和深圳市基础研究计划项目的资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202405145

撰稿：黄泽端　审核：周浩江