在神经元中，离子（如 Na⁺、Ca²⁺）的流动构成了大脑处理信息的“信号语言”——它们穿越细胞膜，引发神经元的兴奋与响应，实现感知和记忆。正因如此，模拟这种“离子驱动”的感知与记忆行为，已成为类脑电子器件研究的重要方向。尤其是在水下、盐水或体液等典型“湿环境”中，开发能同时具备感知功能和信息留存能力的器件，对于类脑计算、智能机器人、生物接口、环境监测等领域具有重大意义。然而，水中丰富的可移动离子也带来了根本性的挑战：它们会在纳米尺度上迅速屏蔽电场，形成所谓的 Debye 屏蔽效应。这不仅限制了离子的响应速度，也使得传统器件在液体环境中往往依赖外加电压，限制了器件设计的灵活性。
在此背景下，伯克利加州大学Junqiao Wu（吴军桥）教授团队与北京大学唐克超研究员（原伯克利博士后）团队，开发出一种新型的无源忆感器（Memsensor）。该器件可通过材料表面的离子迁移速率感知液体中盐浓度，并将这种环境信息写入材料本身，实现无电源、可保持的“记忆”功能。忆感器由 VO2薄膜和紧贴其表面的铟（In）金属构成，利用固液界面的内建电场，在 Debye 长度范围内驱动 In³⁺注入 VO2表层，诱导VO2发生由绝缘态向金属态的相变（图1）。器件的“感知”体现在电阻下降速率随盐浓度而变，“记忆”则源于掺杂引发的非易失相变，即使移除盐溶液后仍能保留电导状态。需指出，本研究中的“忆感器”是指融合“记忆（memory）”与“传感（sensing）”功能的器件，与部分文献中用于指代“记忆+电感”（meminductor）的“忆感器”不同。研究不仅实现了感知与记忆功能的物理集成，还展示了其在仿生智能导航中的潜力。通过将多个忆感器加装于小船底部，团队实现了类似秀丽隐杆线虫（C. elegans）的基于“盐历史记忆”的化学导航行为，为水下机器人与环境智能交互提供了全新的低功耗解决方案。该研究以“Mem-sensing by surface ion migration within Debye length”为题发表于材料学顶级期刊Nature Materials，伯克利加州大学博士生郭睿涵为文章一作。
图1. 高速、无偏压的离子型忆感器
图2. 忆感器的工作机制与动力学过程
忆感器的工作机制如图2所示。由于铟金属功函数低于 VO2，会向其转移电子并氧化为 In3+，溶解于周围盐溶液中。由于In紧贴于VO2表面，部分In3+生成于固液界面的Debye 长度范围内，受到内建电场驱动迅速注入 VO2表层，诱导VO2掺杂形成 InxVO2，触发绝缘-金属相变，器件电阻下降。器件电阻变化速率随盐浓度升高而加快，体现出感知功能。更重要的是，相变具非易失性，使电导状态在脱离溶液后依然保持，实现信息的“记忆”。作为对照，若在 VO2与铟之间插入一层金（Au）膜，尽管电子转移仍可发生，但In3+难以进入 Debye 区域，掺杂显著减弱，忆感效应大幅削弱，进一步证明了器件的忆感效应是基于对Debye 长度内建电场的有效利用。
图3. 忆感器模拟线虫感知神经可塑性行为
图3展示了忆感器在模拟线虫对盐的感知与记忆方面的表现。自然界中，秀丽隐杆线虫的左右神经元（ASEL和 ASER）对盐浓度变化的感知具有记忆性。随着暴露于盐的时间增加，ASEL 神经元对盐浓度突变的“增量”变化做出钙信号先增强后下降的响应（图3a），而忆感器在类似条件下，其电导率变化幅度也呈现先增后减的趋势。图3b展示了忆感器对不同盐浓度刺激的响应，浓度越高，响应越强，效应越持久，类似 ASEL 神经元对不同刺激强度的适应机制。线虫的另一类神经元 ASER 可感知盐浓度下降，并展现出刺激依赖的记忆行为（图3d）。忆感器在长时间盐水刺激后再暴露于过氧化氢溶液时，其电阻变化幅度也随刺激时间增加而增大，表现出与 ASER 相似的记忆调节特性。
图4. 利用忆感器的类ASEL可塑性实现自适应水上导航
图4展示了从线虫到机器小船的仿生导航设计。研究借鉴秀丽隐杆线虫能将盐浓度与食物经验关联的行为：在“高盐饥饿”训练后回避高盐，而“低盐饥饿”训练后则趋向高盐（图4a）。研究团队将忆感器安装于小船底部，并分别以“高盐饥饿”或“低盐饥饿”条件进行训练（图4b与4d），随后将小船放入不同盐浓度的水域中进行自由选择。实验结果显示，配备忆感器的小船能够根据“训练浓度”主动回避或靠近高盐区域，而使用无记忆的普通传感器的对照组则完全无法实现此类适应性行为（图4c与4e）。这项结果证明，忆感器的感知和记忆功能可用于驱动基于“经验”的行为决策。
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