一支由斯坦福大學(xué)和加州利弗莫爾桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室研究人員組成的研究團(tuán)隊(duì)，近日創(chuàng)造了一種新型“人工突觸”，這一具有前瞻性的新發(fā)現(xiàn)有可能在不遠(yuǎn)的將來被用于制造可以直接與大腦相連的柔性電路。
這一新型設(shè)備——有機(jī)晶體管，被研究團(tuán)隊(duì)稱為“電化學(xué)神經(jīng)態(tài)有機(jī)器件（ENODe）”。這一設(shè)備如同記憶電阻器和相變存儲器，未來將被用于打造可以與大腦比肩的“計(jì)算性能型”芯片，而其所需的能量消耗與當(dāng)今最為先進(jìn)的硅芯片相比，卻是九牛一毛。
裝置示意圖。這一元件含有被電解質(zhì)分開的兩層聚合物薄膜，電解質(zhì)允許離子通過，但是不允許電子通過。施加在“前突觸”層（圖中上層）的電脈沖能夠改變后突觸層（下層）的氧化程度，從而影響源極與漏極之間導(dǎo)電能力
從某些角度來看，ENODe看起來更像是一枚電池，而不是一個(gè)晶體管。在ENODe內(nèi)部，具有兩層聚合物薄膜，這兩層薄膜被一種電解質(zhì)分隔開來，這種電解質(zhì)只允許質(zhì)子，而不允許電子通過。
除此之外，這個(gè)器件還擁有三個(gè)類似于晶體管的端極：流過“后突觸”薄膜的電流，會經(jīng)過其中的兩個(gè)端極；而第三個(gè)端極則與另一層薄膜（“前突觸”）相連接。在“前突觸端極”施加的電壓脈沖，將使得流經(jīng)電解質(zhì)的電荷流入或?qū)С觥昂笸挥|膜”。這一流動過程會導(dǎo)致氧化程度的變化，并會影響薄膜的電阻。該項(xiàng)研究發(fā)表于最近出版的《自然·材料》雜志上。
本文的共同作者，桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室的埃里克·塔林（Alec Talin）介紹說，其他人工突觸（二端極）的不足在于，從一種狀態(tài)切換到另一種狀態(tài)，需要極高的能量。在通常情況下，若這些設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)換的能量壁壘較低，那么隨機(jī)的熱波動可以輕而易舉地克服這樣的能量壁壘，這將會導(dǎo)致器件的狀態(tài)切換完全是隨機(jī)的。塔林說，“（在二端極的）人工突觸根本沒辦法克服這一困難，因而如果你降低電壓，它會直接切回到原來的狀態(tài)”。
作者在文中表明，ENODe 是不存在這一問題的。ENODe與突觸狀態(tài)的“維持性”能量壁壘以及“控制性”能量壁壘無關(guān)，因此，這一設(shè)備很好地避開了這一難解之題。其結(jié)果是，這一器件僅需要很低的電壓來進(jìn)行開關(guān)操作，但卻可以長時(shí)間地維持穩(wěn)定的狀態(tài)。塔林說：“這就像充電電池一樣。一旦你開始充電，它就能一直保持穩(wěn)定充電的狀態(tài)?！彼c斯坦福大學(xué)的阿爾伯托·薩里奧（Alberto Salleo）共同領(lǐng)導(dǎo)了這一研究。
這一新器件在1V的范圍內(nèi)，可以表現(xiàn)出500種不同的導(dǎo)電率，并且在相鄰狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換所需要的電壓僅約為0.5毫伏。對于那些熟悉現(xiàn)代硅晶體管，亦或是習(xí)慣了伏安單位的人們來說，這絕對是一個(gè)聽起來小到難以置信的數(shù)字。然而，根據(jù)斯坦福新聞稿中所述的報(bào)道來看，這一器件消耗的能量仍然是生物突觸的10000倍。因此，器件的小型化將事半功倍地彌合這一巨大的鴻溝。
塔林還指出，“該器件所表現(xiàn)出的幾項(xiàng)突出電氣性能，使其特別適合應(yīng)用于仿制大腦神經(jīng)計(jì)算芯片。與此同時(shí)，能夠應(yīng)用于制造該器件的同種材料已經(jīng)被用于連接活性腦細(xì)胞。這將會使得人工突觸計(jì)算，或通過電路連接活性生物細(xì)胞成為可能。我們認(rèn)為，創(chuàng)建更好的大腦-機(jī)器交互，將在未來產(chǎn)生極其深遠(yuǎn)的影響?！?/span>
為了演示這些設(shè)備如何進(jìn)行工作，研究人員構(gòu)建了一個(gè)簡單的電路，并展示了舉世聞名的“巴甫洛夫?qū)W習(xí)過程”。這一過程將證實(shí)如何將“一個(gè)信號”與“另一個(gè)信號”相關(guān)聯(lián)，就如同“響鈴”與“食物”這二者間的關(guān)系一樣。該團(tuán)隊(duì)還模擬了這一器件在與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合到一起時(shí)的性能表現(xiàn)，并測試了其手寫字符識別的能力。
塔林說，“研究人員的下一步計(jì)劃，將建立一個(gè)包含這些器件的陣列，用于展示這些器件在一個(gè)真實(shí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的能力。在這次設(shè)備的處子秀中，狀態(tài)切換大約花了10毫秒。我們會計(jì)劃逐步提高這一設(shè)備的速度?！?/span>
編輯：胡仲略
聯(lián)系客服
