Advanced Computing | 一个纳流器件，如何同时搞定线性可分与不可分逻辑？

PaperWeekly · 2026-10-12 20:13 · 25 阅读

PaperWeekly 2026-10-12 20:13 北京

研究背景：

人类神经元通过离子通道的协同作用实现多种线性可分和不可分的布尔逻辑。受此启发，研究者们发展了一系列具有可重构逻辑的固态电子器件。然而，在水溶液环境中实现这一原理和功能的复刻仍面临挑战。纳流体忆阻器依靠限于空间内的离子迁移进行信息传递，其工作机制与人脑神经元表面离子通道高度相似。利用纳流忆阻器模拟神经元脉冲发放特性，以执行线性可分和线性不可分逻辑仍是关键难点。

文章概述：

近日，南京大学生命分析化学全国重点实验室赵伟伟教授团队在Advanced Computing在线发表题为 “Nanofluidic Spiking Logics Solves Linearly Inseparable and Separable Tasks”的研究论文。文中受生物神经元中离子通道协同作用的启发，通过调控两个带电纳米通道的表面电荷及连接方式，构建了一种可在非单调与单调电阻开关模式之间切换的纳流体脉冲逻辑器件。该器件不仅模拟了适应、积分、共振和不应期等神经元脉冲发放行为，还利用脉冲频率编码实现了 XOR、AND、OR、P 和 N 等多种线性和非线性的布尔逻辑运算。器件表现出超过1000个循环的工作稳定性和约57 pJ的单脉冲能耗，为复杂纳流体计算及事件驱动型离子计算的发展提供了新的器件路径。

图文导读：

通过模拟生物神经元树突与胞体的不同激活特性，构建可在非单调和单调响应间切换的纳流忆阻器件，从而分别实现线性不可分与线性可分逻辑运算（图1）。

图1. 生物神经元与纳流体逻辑器件的对应设计。树突的非单调激活对应线性不可分任务，胞体的单调激活对应线性可分任务

1.电荷与连接方式构建两类电阻开关

通过调节两个纳米通道的表面电荷及串并联方式，器件获得了非单调和单调两类电阻开关：对称迟滞产生峰形或谷形电导响应，可用于构建 XOR 所需的非线性映射；非对称迟滞则使电导随电压单调增加或降低，适合线性可分逻辑（图2）。

图 2 双纳米通道在不同电荷组合和连接方式下的迟滞回线及电导—电压关系。蓝色区域为模式 I 的非单调开关，橙色区域为模式 II 的单调开关

2.离子电流驱动脉冲行为

器件可产生类似动作电位的周期性脉冲，并通过离子富集与耗尽复现去极化、复极化和超极化过程；其脉冲频率可受输入电流、离子浓度及种类调控，同时模拟适应、积分、共振与不应期等神经突触特征，经过1000个循环仍保持稳定，单脉冲能耗约为57 pJ（图3）。

图图 3 不同电阻开关模式产生的脉冲行为，以及器件对适应、积分、共振和不应期等神经突触特征的模拟

3.用脉冲频率完成多种布尔逻辑

研究团队以1 nA和0.1 nA分别表示逻辑“1”和“0”，并以1.2 Hz作为脉冲频率判决阈值：pH 7:7、100 mM KCl条件下的串联器件可实现 XOR；进一步改变通道电荷状态和离子浓度，还可切换为 N、P、AND 与 OR 逻辑。三组独立器件均获得正确输出，并在阈值、pH、离子浓度和温度变化下保持稳定（图4）。

图 4 纳流体器件实现 XOR、N、P、AND 与 OR 脉冲逻辑。右侧柱状图为三组独立器件的平均脉冲频率，虚线表示判决阈值

4.机制解析对称与非对称离子输运决定任务类型

纳流器件在正、负电流下离子充放电过程的对称性是其功能切换的关键。具体而言，pH 7:7的串联器件具有近似对称的离子耗尽与富集过程，可形成非单调响应并实现 XOR；pH 4:7时充放电过程呈现明显不对称，输出主要由特定方向的输入决定，从而形成 N 等单调逻辑，表明受限离子输运本身即可构建所需的决策边界（图5）。