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人造離子神經(jīng)元為未來的電子記憶鋪平道路

2021-08-10 13:05:23 來源：科技日報

從人類大腦運(yùn)行中獲得靈感來進(jìn)行電子產(chǎn)品的研發(fā)，是全球工程師們都關(guān)注的領(lǐng)域。此次，研究人員進(jìn)行了一項(xiàng)理論分析，利用離子作為神經(jīng)細(xì)胞攜帶信息來開發(fā)人工神經(jīng)元。這一裝置用石墨烯制成納米狹縫，狹縫內(nèi)由單層水來傳輸離子，具有與神經(jīng)元相同的傳輸能力。相關(guān)論文發(fā)表在最新一期的《科學(xué)》雜志上。

可以說，沒有什么人造設(shè)備的效率高過人腦——人腦能執(zhí)行許許多多復(fù)雜的任務(wù)，每天消耗的能量卻僅相當(dāng)于兩個香蕉。它的高效率取決于它的基本單元——神經(jīng)元。神經(jīng)元有一個帶納米孔的膜，稱為離子通道，根據(jù)接收到的刺激打開和關(guān)閉，由此產(chǎn)生的離子流會產(chǎn)生電流，負(fù)責(zé)發(fā)射動作電位（可興奮細(xì)胞受到刺激時，在靜息電位的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的電位變化過程），這是允許神經(jīng)元相互交流的信號。

當(dāng)然，人工智能（AI）也可以完成以上所有這些任務(wù)，但代價是能耗——AI的能耗是人腦的數(shù)萬倍。

有鑒于此，來自法國國家科學(xué)研究中心與巴黎高等師范學(xué)院等機(jī)構(gòu)的科學(xué)家，此次將整個研究的挑戰(zhàn)放在設(shè)計一種與人腦一樣節(jié)能的電子系統(tǒng)。例如，通過使用離子而不是電子來攜帶信息。科學(xué)家們認(rèn)為，納米流體學(xué)（研究流體在小于100納米寬的通道中的行為方式）提供了許多觀點(diǎn)。

在新實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了一個人工神經(jīng)元原型，其由含有單層水分子的極薄石墨烯狹縫構(gòu)成。研究人員證明，在電場的作用下，來自這層水的離子可聚集成細(xì)長的簇，并產(chǎn)生一種被稱為憶阻器效應(yīng)的特性：這些簇能保留過去接收到的一些刺激，且為了與大腦比較，石墨烯狹縫再現(xiàn)了離子通道、簇和離子流。利用理論和數(shù)字工具，研究人員展示了如何組裝這些集群以模擬動作電位發(fā)射的物理機(jī)制，從而模擬信息的傳輸。

研究人員表示，他們現(xiàn)在的目標(biāo)，是通過實(shí)驗(yàn)去證明此類系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)簡單的學(xué)習(xí)算法，在此基礎(chǔ)上，這一算法就能為未來的電子記憶鋪平道路。

標(biāo)簽：人造離子神經(jīng)元電子記憶人造設(shè)備人工神經(jīng)元