與人腦一樣節(jié)能

人造離子神經(jīng)元能用于未來(lái)電子記憶

科技日?qǐng)?bào)北京8月6日電 （記者張夢(mèng)然）從人類大腦運(yùn)行中獲得靈感來(lái)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(lái)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(lái)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(shuō)，沒(méi)有什么人造設(shè)備的效率高過(guò)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(gè)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(gè)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(huì)產(chǎn)生電流，負(fù)責(zé)發(fā)射動(dòng)作電位（可興奮細(xì)胞受到刺激時(shí)，在靜息電位的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的電位變化過(guò)程），這是允許神經(jīng)元相互交流的信號(hào)。

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(jià)是能耗——AI的能耗是人腦的數(shù)萬(wàn)倍。

有鑒于此，來(lái)自法國(guó)國(guó)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(gè)研究的挑戰(zhàn)放在設(shè)計(jì)一種與人腦一樣節(jié)能的電子系統(tǒng)。例如，通過(guò)使用離子而不是電子來(lái)攜帶信息?？茖W(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(gè)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(chǎng)的作用下，來(lái)自這層水的離子可聚集成細(xì)長(zhǎng)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(guò)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(dòng)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(guò)實(shí)驗(yàn)去證明此類系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的學(xué)習(xí)算法，在此基礎(chǔ)上，這一算法就能為未來(lái)的電子記憶鋪平道路。

總編輯圈點(diǎn)

這些年來(lái)，科學(xué)家們一直希望創(chuàng)造出與人腦類似的電子系統(tǒng)，不過(guò)他們進(jìn)行研究的切入點(diǎn)并不相同。比如，此前有大量研究通過(guò)模擬人腦處理信息的機(jī)制，設(shè)計(jì)出規(guī)模越來(lái)越大、層數(shù)越來(lái)越多的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。而在上述研究中，科學(xué)家的著眼點(diǎn)在于讓人工神經(jīng)元像人腦神經(jīng)元一樣節(jié)能。相信這些從不同角度切入的研究成果最終將融會(huì)貫通，帶來(lái)更加高效、強(qiáng)大的人工智能。