第一作者：杨媛媛 

单位：厦门大学 

通讯作者：申亚京 

通讯单位：香港科技大学

论文DOI：10.1038/s41467-024-47791-7

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该论文着重介绍了申亚京团队和杨媛媛团队在“具身智能”这一领域上的探索研究，提出了基于液态金属的仿捕蝇草智能捕食机制的电子逻辑元件，该元件本身具有记忆和计数特性，无需其它辅助电子器件即可如捕蝇草般智能地响应各种刺激序列。

背景介绍

捕蝇草不具备动物所特有的神经系统，但仍然能够对外界刺激进行智能响应，识别并成功捕获猎物。它具有独特的捕食机制，它能有效区分各种外部刺激，如单次、多次刺激，进而区分环境干扰（如雨滴）及昆虫，以确保成功捕获猎物。此项功能主要是由于捕蝇草的触毛具有类似于记忆和计数的特征，它可以感知刺激产生动作电位，并在短时间内记住刺激。如果猎物在大约半分钟内碰触两次，则捕蝇草将闭合叶片进行捕食（图1）。

图1.设计概念图

捕蝇草的智能无需如动物般复杂的神经系统辅助，其主要来源于内部钙离子变化。触碰能引起内部钙离子激增却未到达一定的阈值，随后逐渐消退。当再次触碰发生时，钙离子达到了阈值，从而导致捕蝇草叶片闭合（图2）。基于此种机制，捕蝇草在节省能量的同时又能有效地捕获食物。基于材料自身而实现的智能策略以及内在的逻辑机制，为我们思考自然界中的“智能”提供了全新的视角，也对“具身智能”的发展提供了启发。

图2.仿捕蝇草内部电信号的液态金属电子逻辑元件

研究出发点

基于捕蝇草内部电信号积累/衰减模型，作者提出了一种基于液态金属丝延伸/缩短形变的电子逻辑元件LLM。该元件以氢氧化钠溶液中的液态金属丝为导电介质，基于电化学及电毛细效应控制液态金属丝的长度，进而依据阳极和门极所施加的电刺激调控阴极输出（图3）。通道中液态金属丝长度变化的时间依赖性机制赋予了LLM独特的记忆性能。

图3.电刺激响应的液态金属变形机制

LLM接收电刺激后液态金属丝的长度如同捕蝇草中钙离子信号般增强，当撤掉电刺激后由于由于液态金属与通道的粘附作用，它在一定时间内保持不动后将逐渐减小（图4）。该特性使LLM能够短时间保留液态金属丝的长度记忆，并在接收到第二个触发信号时在此基础上延长。研究结果表明，LLM本身可以记忆电刺激的持续时间和间隔，计算多次刺激累积的信号，并表现出类似于捕蝇草的显著逻辑功能。

图4.仿捕蝇草逻辑功能

作为演示，作者搭建了一套基于LLM智能决策器件、仿触毛机械开关、仿叶片柔性电驱动器的人工捕蝇草系统，复现了捕蝇草的捕食过程。此外，作者还展示了LLM在功能电路集成、滤波、人工神经等方面的应用前景。此项工作不仅为模拟植物的智能行为提供了见解，也可为后续生物信号模拟器件及具身智能系统研发提供可靠借鉴。

总结与展望

当人们提到‘人工智能’，一般想到的都是模拟动物神经系统的智能。然而，在自然界中，很多植物也可以通过特定的材料、结构组合，展示出一定智能。对该方向的研究，可为我们理解自然中的‘智能’，构建‘类生命的智能’提供新的视角和思路。几年前杨媛媛副教授还在申亚京教授课题组读博士时，便一起探讨了仿照植物构建智能体这个想法。经过几年的努力，终于实现了对捕蝇草智能的概念验证和模拟，后期还有很多工作需要进一步开展，如设计更高效的结构、减小器件的尺寸、提高系统响应等等。原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-47791-7