神经形态计算领域新突破:揭开了模仿人脑高效学习的电子产品面纱

10年前科学家们希望能开辟出一个神经形态计算的新领域,而在那时,科学家们还只能梦想着用一种名为memristors的微型工具制造出一种能像真正的大脑突触一样功能/操作的设备。现在科学家揭开了模仿人脑高效学习的电子产品面纱。

美国马萨诸塞大学阿姆赫斯特大学的一个团队在进一步了解蛋白质纳米线的过程中,发现了如何利用这些生物导电丝来制作一个神经形态的记忆器,也就是 “记忆晶体管 “装置。它以极低的功率运行,就像大脑一样,可以在神经元之间传递信号。

神经形态计算领域新突破,模拟大脑中神经元
从微生物Geobacter(橙色)中收获的蛋白质纳米线(绿色)图形描述有助于电子忆阻器设备(银)以生物电压起作用,模拟大脑中神经元成分(蓝色连接点)。

神经形态计算的最大障碍之一,也是让它看起来遥不可及的障碍之一,就是大多数传统计算机的工作电压超过1伏,而大脑在神经元之间发送的信号称为动作电位,其电压约为80毫伏,低了很多倍。今天,记忆电阻器电压已经达到了与传统计算机类似的范围,但要想低于这个范围似乎是不可能的。

微生物学家和合作者Derek Lovely在UMAS Amherst大学阿姆哈斯特分校从Geobacter细菌中开发出蛋白质纳米线,现在已经进行了一些实验,在这些实验中,记忆晶体管的电压已经达到了神经电压。与昂贵的硅纳米线相比,Geobacter的导电蛋白纳米线具有许多优势,而硅纳米线需要使用有毒化学品和高能工艺才能生产。蛋白质纳米线在水或体液中也更稳定,这是生物医学应用的一个重要特点。对于这项工作,研究人员将纳米线从细菌上剪切下来只使用了导电蛋白。

这是首次一个电子设备可以在与大脑相同的电压水平下工作。以前人们根本不敢想能制造出一个和大脑中的生物对应物一样省电的设备,但现在该研究团队有了超低功耗计算能力的现实证据。这是一个概念上的突破,这将在生物电压机制下工作的电子产品引起大量探索。

研究团队已经着手将纯化后的纳米线进行试验,看看它们在不同的电压下有什么能力,例如。他们试验了一种正负电荷的脉冲开关模式,这种模式通过存储器中的一个微小的金属线发送,从而产生一个电子开关。

他们使用了金属线,因为蛋白质纳米线能促进金属还原,改变金属离子的反应性和电子传递特性。这种微生物的能力并不奇怪,因为野生细菌的纳米线会像我们呼吸氧气一样,通过化学还原金属来获得能量。

当开关脉冲在金属丝中产生变化时,这个比头发直径小100倍的微型装置就会产生新的分支和连接。它创造了一种类似于在真实大脑中学习新连接的效果。你可以调节纳米线-脑晶体管突触的导电性,或者说是可塑性,这样它就可以模拟生物组件,实现大脑启发式计算。与传统计算机相比,这个设备具有非软件的学习能力。

该研究团队计划跟进这一发现进行更多机制研究,并对蛋白纳米线在记忆器中的化学、生物学和电子学方面进行全面的探索,再加上其他方面的可能应用,比如说监测心率的设备。这为将来有一天这种装置能够与生物系统中的实际神经元对话提供了希望。

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