著名的心理學(xué)家巴甫洛夫用狗做了這樣一個實驗：每次給狗送食物以前打開紅燈、響起鈴聲。這樣經(jīng)過一段時間以后，鈴聲一響或紅燈一亮，狗就開始分泌唾液。
與著名的生理學(xué)家巴甫洛夫使狗將鈴鐺與食物聯(lián)系起來的方法類似，近日，香港大學(xué)(the University of Hong Kong)和美國西北大學(xué)(Northwestern University)的研究人員成功地調(diào)節(jié)了狗的神經(jīng)回路，使之將光和壓力聯(lián)系起來。
對于神經(jīng)形態(tài)電路，研究人員通過用手指按壓來激活電壓。為了使電路與光和壓力相關(guān)聯(lián)，研究人員首先應(yīng)用來自LED燈泡的脈沖光，然后立即施加壓力。在這種情況下，壓力就是食物，光就是鐘聲。設(shè)備對應(yīng)的傳感器檢測到這兩個輸入。
研究人員已經(jīng)開發(fā)出了一種類腦計算設(shè)備--“突觸晶體管”。它能同時處理和存儲數(shù)據(jù)來模擬大腦的可塑性該設(shè)備，并可以通過同時處理和存儲信息的突觸晶體管進行關(guān)聯(lián)學(xué)習(xí)。
研究人員對電路進行了編程，以通過脈沖發(fā)光二極管(LED)燈泡，然后用手指按壓來使光與壓力相關(guān)聯(lián)。
有機電化學(xué)材料使該設(shè)備能夠構(gòu)建存儲器，并且在五個訓(xùn)練周期后，它將光與壓力相關(guān)聯(lián)，并且可以單獨檢測光的壓力。
該設(shè)備的秘密在于其新穎的有機電化學(xué)“突觸晶體管”，該晶體管可以像人的大腦一樣同時處理和存儲信息。研究人員證明，該晶體管可以模擬人類大腦中突觸的短期和長期可塑性，建立在記憶的基礎(chǔ)上，隨著時間的推移而學(xué)習(xí)。
研究人員表示這種新型晶體管和電路具有類腦的能力，有可能克服傳統(tǒng)計算的局限性，包括耗能硬件和無法并行執(zhí)行多項任務(wù)的能力。該類腦裝置還具有較高的容錯性，即使部分部件出現(xiàn)故障，也可以繼續(xù)平穩(wěn)運行。
研究人員Jonathan Rivnay表示：“盡管現(xiàn)代計算機非常出色，但人腦在某些復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化任務(wù)(例如模式識別，運動控制和多傳感器集成)中可以輕松勝過計算機。這要歸功于突觸的可塑性，它是大腦計算能力的基本組成部分。這些突觸使大腦能夠以高度并行，容錯和節(jié)能的方式工作。在我們的工作中，我們展示了一種有機的塑料晶體管，它可以模仿了生物突觸的關(guān)鍵功能。”
常規(guī)計算的問題
常規(guī)的數(shù)字計算系統(tǒng)具有單獨的處理和存儲單元，這使得數(shù)據(jù)密集型任務(wù)消耗大量能量。受人腦中計算和存儲過程相結(jié)合的啟發(fā)，研究人員近年來尋求開發(fā)出更像人腦一樣運行的計算機，其功能類似于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備陣列。
研究人員表示：“我們當(dāng)前計算機系統(tǒng)的工作方式是將內(nèi)存和邏輯在物理上分開。在執(zhí)行計算過程中，并將該信息發(fā)送到存儲單元。然后，每次檢索該信息時，都必須重新調(diào)用它。如果我們能夠?qū)⑦@兩個單獨的功能結(jié)合在一起，那么我們可以節(jié)省空間并節(jié)省能源成本。”
當(dāng)前，記憶電阻器或“憶阻器”是最先進的技術(shù)，可以執(zhí)行組合的處理和記憶功能，但憶阻器的開關(guān)成本高昂且生物相容性較差。由于這些缺點和不足，研究人員轉(zhuǎn)向了突觸晶體管，尤其是有機電化學(xué)突觸晶體管，它具有低電壓、連續(xù)可調(diào)存儲器和高兼容性，適用于生物應(yīng)用。
然而，挑戰(zhàn)依舊存在。
研究人員表示：“即使是高性能的有機電化學(xué)突觸晶體管也需要將寫操作與讀操作分離，因此，如果要保留內(nèi)存，則必須將其與寫過程斷開連接，這會使集成電路或系統(tǒng)變得更加復(fù)雜。”
突觸晶體管如何工作
為了克服這些挑戰(zhàn)，聯(lián)合團隊在有機電化學(xué)晶體管中優(yōu)化了一種導(dǎo)電塑料材料，該材料可以捕獲離子。在大腦中，突觸是一種結(jié)構(gòu)，神經(jīng)元可以使用稱為神經(jīng)遞質(zhì)的小分子，通過該結(jié)構(gòu)將信號傳輸?shù)搅硪粋€神經(jīng)元。在突觸晶體管中，離子的行為類似于神經(jīng)遞質(zhì)，在末端之間發(fā)送信號以形成人工突觸。通過保留來自捕獲離子的存儲數(shù)據(jù)，晶體管可以記住以前的活動，從而發(fā)展長期可塑性。
研究人員通過將單個突觸晶體管連接到神經(jīng)形態(tài)電路中以模擬聯(lián)想學(xué)習(xí)，展示了該設(shè)備的突觸行為。他們將壓力和光傳感器集成到電路中，并訓(xùn)練電路將兩個不相關(guān)的物理輸入(壓力和光)彼此關(guān)聯(lián)。
未來的應(yīng)用
由于突觸電路是由柔軟的聚合物制成的，它可以很容易地被制作在柔軟的薄片上，也很容易地被集成到柔軟的、可穿戴的電子產(chǎn)品、智能機器人和可植入的設(shè)備中，這些設(shè)備可以直接與活體組織甚至大腦接觸。
研究人員表示:“雖然我們的應(yīng)用只是一個概念驗證，但我們提出的電路可以進一步擴展，包括更多的感官輸入，并與其他電子設(shè)備集成，實現(xiàn)現(xiàn)場低功耗計算。由于它與生物環(huán)境兼容，該設(shè)備可以直接與活體組織接觸，這對下一代生物電子技術(shù)至關(guān)重要。”
參考
https://news.northwestern.edu/
Mimicking associative learning using an ion-trapping non-volatile synaptic organic electrochemical transistor
作者：Tamara Bhandari
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