2026年3月9日、南京大学電子学部の士宜院士チームのワン・チャンジン准教授は、シンガポールの南洋理工大学およびその他の科学研究機関と共同で、「非常に堅牢な神経形態的プロテーゼのためのイオントロニック・リザーバー」と題する研究論文を「Nature Materials」に発表した(図1、DOI: 101038/s41563-026-02532-7)。
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タコの腕と脚は切断されても、感覚機能と運動機能を再生して回復することができます。ほとんどの動物では、体内の神経組織の修復能力は表皮組織の修復能力に比べてはるかに劣っています。研究チームは、神経型プロテーゼを構築することにより、人工神経の修復機能の実現と向上に取り組んでいます。チームは、非常に高速な機能回復機能を備えたデバイスを開発しました (<002 秒) 神経様デバイス。このデバイスは、コアコンピューティングユニットの 1 つとして、さまざまな複雑なターゲットの効率的な認識 (認識率 > 90%) を達成し、さらに筋肉疲労に基づいてコマンド実行の強度を自律的に調整できる人工感覚運動回路を構築できます。この研究は、次世代の移植可能な神経電子デバイス、身体化された知能、精密医療の開発に新しいアイデアを提供します。
ニューロプロテーゼは、電気刺激、信号デコード、その他の技術を使用して損傷した神経や脳領域の機能を代替し、患者が移動、知覚、コミュニケーションなどの能力を回復できるようにする移植可能な神経工学装置の一種です。実用的なニューロプロテーゼは、効率的な情報処理能力を備えているだけでなく、動的な作業環境や損傷した作業環境でも安定性を維持し、通常の感知、制御、その他の機能を実行できなければなりません。ニューロモルフィックデバイスを使用して神経プロテーゼを構築することは、新たな技術の重要な方向性です。ただし、既存のニューロモーフィック デバイスは、多くの場合、機械的摂動や構造的損傷に対して非常に敏感です。引張、圧縮、または破損が発生すると、デバイスの性能を回復するのが困難になることがよくあります。通常、補綴装置を交換してシステム モデルを再トレーニングする必要がありますが、これには大きな外科的リスクが伴い、実際の医療シナリオでの適用が大幅に制限されます。
上記の課題に対応して、研究チームは、従来のニューロモーフィック デバイスの機械的損傷と自己修復プロセスに存在する一般的な問題の詳細な分析を実施しました。ニューロモーフィック コンピューティングは、動的経路の完全性に大きく依存しています。たとえば、メモリスタのイオン移動経路やトランジスタのキャリア輸送経路の構造変化や損傷は、デバイスの性能を大幅に低下させます。したがって、研究チームは提案しました界面力学プロセスに基づくイオン化電子予備プール (イオンリザーバー) コンセプトに基づいて、対応するプロトタイプ デバイスが自己修復ヒドロゲルに基づいて作成されました (図 2)。このデバイスのニューロモーフィック コンピューティングは主に、従来の機械的損傷による干渉を受けにくいナノスケール界面のイオン特性に依存しています。壊れたヒドロゲルが再接触した後 (<002 秒)、そのイオン動的特性は迅速に復元され、それによってコンピューティング パフォーマンスの回復が達成されます。
このデバイスは音声認識、心電図分析、人間の行動認識などに使用されます9 つの典型的なインテリジェント処理タスク テストで、90% を超える認識精度が達成されました。これに基づいて、研究チームは閉ループ神経調節におけるデバイスの応用可能性をさらに検証しました。研究チームは、体液のpH（筋肉疲労の重要な指標）の変化に対するデバイスの応答性を利用して、「知覚 - 計算 - 調節」を統合する閉ループの人工感覚運動回路を構築した。動物実験の結果、このシステムは筋疲労の程度に応じて坐骨神経の刺激強度を動的に調整することができ、それによって後肢の運動振幅の適応制御を達成できることが示されています。固定刺激強度を使用する開ループ ソリューションと比較して、この閉ループ システムは、継続的な高強度刺激によって引き起こされるアシドーシスのリスクを効果的に軽減でき、神経リハビリテーション、スポーツ支援、およびインテリジェントな埋め込み型医療機器の分野で重要な応用の見通しを示しています。この成果は、信頼性が高く、低電力で、柔軟で移植可能なインテリジェントな神経電子システムの構築に新たな技術的ルートを提供するだけでなく、環境適応能力を備えた次世代の神経人工装具および脳のような生体電子システムの開発のための重要な基盤を築くものでもある。
写真2 a) インターフェースイオン予備電池計算概念 (左) とテストシステム (右)。 b) 閉ループ人工感覚運動回路（左）とコマンド実行制御結果（右）。
この研究は、南京大学、シンガポール南洋理工大学、金陵病院、永江研究所、その他の部門によって共同で完了しました。筆頭著者はPei Mengjiao、Gao Tian、Liu Liであり、責任著者はWan Changjin准教授、Chen Xiaodongアカデミー会員、Shi Yiアカデミー会員、Wan Qing教授、Xue Bin教授、Li Yun教授です。この研究活動は、国家重点研究開発プログラム、中国国家自然科学財団およびその他のプロジェクトから資金提供を受けました。
