离电子器件，生命体与机器的新契合点

生命体与机器的结合，是电影里长盛不衰的题材，从《骇客帝国》到《机械战警》，从《阿凡达》到《阿丽塔：战斗天使》，都能看到人机结合或者说脑机结合的各种想象。在不少人的认识中，人类最强大的器官莫过于大脑，与大脑的思考能力相比，人类其他器官的能力就显得相对“孱弱”。如果能将强大的大脑与强大的机器直接联系起来，岂不如虎添翼？

想法很好，但要把柔性的生命体与刚性的机器稳定地联系起来，并让二者顺利完成信息或物质的交互谈何容易。目前人机结合最成功最广泛的应用，毫无疑问是人工耳蜗，可以将声音转换为电信 通过植入体内的电极系统直接刺激听觉神经来恢复或重建听觉，帮助了无数听觉障碍患者。不久前，埃隆?马斯克的Neuralink公司发布了一款硬币大小的脑机接口植入式芯片，通过柔性电极与大脑皮层相连，接收并解码大脑皮层的电信 同时向大脑皮层发送电信 （下图），可无线充电，目前已经在猪的大脑上稳定运行了数月。该技术的目标是帮助残疾人控制仿生假肢，并帮助解决许多健康问题，例如失明、抑郁、阿尔兹海默病、帕金森综合征等，还可实现人脑与智能手机或电脑软件互联。这不得不说是个巨大的突破，但能否获得监管机构批准用于人体实验目前仍是未知之数。

生命体与机器的结合，在现实中有没有其他的发展之路呢？

虽说生命体内神经信 与机器电路内信 的本质都是电信 ，但是生命体信 的基础是离子，而机器（如智能手机、计算机等）信 的基础是电子及空穴，再加上生命体与机器在诸如柔性、弹性等物理性质上的巨大差距，二者之间无疑存在巨大鸿沟。但实际上，离子和电子并非不能共存，二次电池、超级电容器和电化学电池这些器件的运行都依赖于离子电荷和电子电荷的相互转换。近年来新出现的离电子器件（ionotronics，也写作iontronics），通过移动离子和移动电子的混合电路来实现功能，有希望更好地把离子信 和电子信 结合起来，成为生命体与机器的新契合点。

水凝胶是离电子器件最常见的离子导电材料。它们以聚合物 状结构为骨架，含有大量的水性溶液。水溶液中溶解的盐类可产生可移动离子，基于盐类型和浓度的不同，这些离子可将水的电阻率从约18.2 MΩm（纯净水的值）变为约10-1 Ωm。在水凝胶和金属的界面处，移动离子和电子形成双电层（EDL），可充当电容器（电容值为约10-1 F m-2），并将水凝胶中的离子电流与金属中的电子电流耦合起来。水凝胶还具有良好的生物相容性、自愈能力、透明度、离子导电性和弹性，这些性能使它们在人工肌肉、皮肤、神经元等领域具有重要的应用。

水凝胶虽然具有良好的柔性，在韧性和延展性等方面却比较欠缺，这限制了实际生活中的应用。为了改进这些性能，研究人员制备出类似于橡胶的离子导电水凝胶，比如以聚丙烯醇水凝胶为框架，将其浸泡在氯化钠溶液中，再嵌入生物相容性良好的羟丙基纤维素，该复合材料具有较大的机械强度和较好的导电性。但是这种结构的柔性材料在拉伸或者收缩过程中电解液容易泄漏。

此外，研究人员近期还设计了能够导电的离子弹性体（ionoelastomer），这种固态材料不需要液态电解质，分为聚阴离子弹性体和聚阳离子弹性体（Science, 2020, 367, 773, 点击阅读详细）。这些材料以聚合物为框架，通过反离子的移动实现导电，比如聚阴离子弹性体，带负电荷的阴离子固定在材料上，而阳离子可以随着浓度或者电场进行移动而实现导电。聚阳离子弹性体与此相反。离子弹性体材料与水凝胶相似，在拉伸或者压缩时产生的电信 会发生变化，这说明这些材料可以实现对周围环境以及材料自身变化的响应。

研究者还开发了离电子混合导电材料。顾名思义该类材料既包括离子导电，也包括电子导电，比如常用的一种材料为聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）（PEDOT）与聚（苯乙烯磺酸盐）（PSS）的混合物，即PEDOT:PSS。其中PEDOT含有共轭结构，可以实现电子导电，而PSS含有磺酸根阴离子，可以实现离子导电。这种材料具有良好的生物相容性与柔性，基于该材料制备的芯片可以直接用于表征脑电波的变化，这为脑损伤等相关疾病的治疗提供了新的方法。除了动物体，植物体内一样可以引入离电子材料。2015年，有研究者利用PEDOT衍生材料及PEDOT:PSS在玫瑰中构建了导线、数字逻辑电路甚至包括显示功能的元件（Sci. Adv., 2015, DOI: 10.1126/sciadv.1501136）。

小结

机器与生命体相结合的实际应用看起来还有不少距离，不过，参考此前电子设备发展的速度，谁也不敢断言未来这种结合不会实现。离电子器件可以进行灵活地设计与修饰，可以选择性地实现不同的功能。自然界中电子只有一种，而离子成千上万，这就为离电子器件带来了更多可能性，也为电子设备与生命体的结合带来了更多希望。