科學家創造新型人工突觸，或將用於相連大腦

一支由斯坦福大學和加州利弗莫爾桑迪亞國家實驗室研究人員組成的研究團隊，近日創造了一種新型「人工突觸」，這一具有前瞻性的新發現有可能在不遠的將來被用於製造可以直接與大腦相連的柔性電路。

這一新型設備——有機晶體管，被研究團隊稱為「電化學神經態有機器件（ENODe）」。這一設備如同記憶電阻器和相變存儲器，未來將被用於打造可以與大腦比肩的「計算性能型」晶元，而其所需的能量消耗與當今最為先進的硅晶元相比，卻是九牛一毛。

裝置示意圖。這一元件含有被電解質分開的兩層聚合物薄膜，電解質允許離子通過，但是不允許電子通過。施加在「前突觸」層（圖中上層）的電脈衝能夠改變後突觸層（下層）的氧化程度，從而影響源極與漏極之間導電能力

從某些角度來看，ENODe看起來更像是一枚電池，而不是一個晶體管。在ENODe內部，具有兩層聚合物薄膜，這兩層薄膜被一種電解質分隔開來，這種電解質只允許質子，而不允許電子通過。

除此之外，這個器件還擁有三個類似於晶體管的端極：流過「後突觸」薄膜的電流，會經過其中的兩個端極；而第三個端極則與另一層薄膜（「前突觸」）相連接。在「前突觸端極」施加的電壓脈衝，將使得流經電解質的電荷流入或導出「後突觸膜」。這一流動過程會導致氧化程度的變化，並會影響薄膜的電阻。該項研究發表於最近出版的《自然·材料》雜誌上。

本文的共同作者，桑迪亞國家實驗室的埃里克·塔林（Alec Talin）介紹說，其他人工突觸（二端極）的不足在於，從一種狀態切換到另一種狀態，需要極高的能量。在通常情況下，若這些設備狀態轉換的能量壁壘較低，那麼隨機的熱波動可以輕而易舉地克服這樣的能量壁壘，這將會導致器件的狀態切換完全是隨機的。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」。

作者在文中表明，ENODe 是不存在這一問題的。ENODe與突觸狀態的「維持性」能量壁壘以及「控制性」能量壁壘無關，因此，這一設備很好地避開了這一難解之題。其結果是，這一器件僅需要很低的電壓來進行開關操作，但卻可以長時間地維持穩定的狀態。塔林說：「這就像充電電池一樣。一旦你開始充電，它就能一直保持穩定充電的狀態。」他與斯坦福大學的阿爾伯托·薩里奧（Alberto Salleo）共同領導了這一研究。

這一新器件在1V的範圍內，可以表現出500種不同的導電率，並且在相鄰狀態之間轉換所需要的電壓僅約為0.5毫伏。對於那些熟悉現代硅晶體管，亦或是習慣了伏安單位的人們來說，這絕對是一個聽起來小到難以置信的數字。然而，根據斯坦福新聞稿中所述的報道來看，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，「該器件所表現出的幾項突出電氣性能，使其特別適合應用於仿製大腦神經計算晶元。與此同時，能夠應用於製造該器件的同種材料已經被用於連接活性腦細胞。這將會使得人工突觸計算，或通過電路連接活性生物細胞成為可能。我們認為，創建更好的大腦-機器交互，將在未來產生極其深遠的影響。」

為了演示這些設備如何進行工作，研究人員構建了一個簡單的電路，並展示了舉世聞名的「巴甫洛夫學習過程」。這一過程將證實如何將「一個信號」與「另一個信號」相關聯，就如同「響鈴」與「食物」這二者間的關係一樣。該團隊還模擬了這一器件在與神經網路結合到一起時的性能表現，並測試了其手寫字元識別的能力。

塔林說，「研究人員的下一步計劃，將建立一個包含這些器件的陣列，用於展示這些器件在一個真實的神經網路中的能力。在這次設備的處子秀中，狀態切換大約花了10毫秒。我們會計劃逐步提高這一設備的速度。」