能夠改善機器人、股票交易的技術

知識 07-04

隨著研究人員發明了能夠以有史以來最好的方式模擬人類大腦內神經元之間連接的微型設備，有著與人類相似的解決問題的能力的大型類腦機器也許就要變成現實了。

來自韓國浦項工科大學的材料科學家及本研究的資深作者 Tae - Woo Lee 說道，新的研究也許能夠帶來更好的機器人、自動駕駛汽車、數據挖掘、醫療診斷、股票交易分析和「未來的其他智能人類-互動系統與機器」。

人類大腦的強大計算能力源自它內部的連接。在此之前的研究指出大腦大約擁有 1,000 億個神經元，以及 1 千萬億（10^15）個將這些細胞聯繫起來的連接。在每一個連接（即突觸）中，神經元通常以每秒 10 次的速率發射信號。

理論上講，人類大腦每秒可以執行約 1 萬萬億次（10^16）操作。對比來看，據給世界前 500 個最強大的計算機排名的 TOP500 項目稱，世界上最快的超級計算機——中國的天河二號（現在已被「神威太湖之光」取代，詳見《中國成為超級計算第一大國，包攬冠軍亞軍》）每秒能操作 5.5 萬萬億次計算。然而，以前的研究都證明人類的大腦僅僅消耗了約 20 瓦功率，而這幾乎只能點亮一個昏暗的燈泡，TOP500 提出，天河二號需要消耗900,000 個這樣的電燈泡的大約 17.8 兆瓦的功率。

科學家希望製造一個能夠媲美人類大腦能力和效率的計算機。Lee 對 Live Science 說：「開發能夠比擬生物突觸的行為方式的人工突觸（artificial synapses）將會是關鍵的一步。」

直到現在，相比於真正的突觸，人工突觸消耗的能量仍然遠遠更多。研究指出，每次神經元發射信號時生物突觸會消耗大約 10 千萬億分之一焦耳（femtojoules）的能量。現在，Lee 和他的同時已經創造了每突觸事件僅需要 1.23 個千萬億分之一焦耳的人工突觸，成為了有史以來能耗最低的人工突觸（對比來說，一隻蘋果從3.3英尺（一米）高的樹上墜落到地面會產生 1 千萬億份千萬億分之一焦耳的動能）。Lee 說道，這項研究提出「未來，人工大腦的能耗和存儲密度將會最終趕上、甚至超過人類大腦。」

這些新的人工突觸就像某種晶體管或電子開關。通過打開或關閉，它們可以模擬突觸的信號發射。

研究人員在 4 英尺（10厘米）大小的晶片上製造了 144 個突觸晶體管（synaptic transistor）。這個設備的核心是 200 至 300 納米（十億分之一米）寬的線（比較一下，人類頭髮絲寬度大約為 100,000 納米）。研究人員說，這些設備的微型程度足以幫助降低它們消耗的能量。

這種新型設備用一種有機材料所包裹著的另一種有機材料製作而成。研究人員解釋道，這些材料幫助人工突觸捕獲或釋放帶點離子，這模仿了生物突觸的運作方式和電子開關的開關方式。

人工突觸模仿了真正人類神經纖維的纖長且有彈性的結構。Lee 指出：從原理上看，研究人員也可以將這些設備組合在三維網格里，從而或多或少模仿人類的大腦。然而，他補充道，想要列印這些三維網格的人工突觸，還需要三維列印技術的進步。

Lee 還說道，研究人員現在正在致力於研發僅有十幾個納米寬的有機納米線。他們還設想可以通過繼續試驗所用的材料選擇與結構，以更多地降低突觸晶體管消耗的能量。

科學家們已經在 Science Advances 學術期刊上發表了論文，詳細論述他們的發現。