“突觸晶體管”可以同時處理數(shù)據(jù)和存儲數(shù)據(jù)，從而模仿大腦的可塑性。

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借助一系列突觸晶體管，新的神經(jīng)形態(tài)電路可以模擬聯(lián)想學(xué)習(xí)。

研究人員已開發(fā)出了一種類似大腦的計算設(shè)備，它能夠通過聯(lián)想來學(xué)習(xí)。

類似著名生理學(xué)家帕甫洛夫訓(xùn)練狗、將鈴聲與食物關(guān)聯(lián)起來，美國西北大學(xué)和香港大學(xué)的研究人員已成功地訓(xùn)練電路、將光與壓力關(guān)聯(lián)起來。

研究論文于4月30日發(fā)表在知名的《自然通訊》雜志上。

這種設(shè)備的秘密在于其新穎的有機(jī)電化學(xué)“突觸晶體管”，這種晶體管可以同時處理信息和存儲信息，與人腦無異。研究人員證明，突觸晶體管可以模仿人類大腦中突觸的短期和長期可塑性，不斷增強(qiáng)記憶，逐漸具有學(xué)習(xí)能力。

新型晶體管和電路擁有類似大腦的能力，有望克服傳統(tǒng)計算的局限性，包括能耗很大的硬件以及同時執(zhí)行多項任務(wù)的能力有限。這種類似大腦的設(shè)備還擁有更強(qiáng)的容錯能力，即使一些部件出現(xiàn)故障，也能繼續(xù)順利運(yùn)行。

西北大學(xué)的論文資深作者Jonathan Rivnay說：“雖然現(xiàn)代計算機(jī)非常出色，但人腦在一些復(fù)雜且非結(jié)構(gòu)化的任務(wù)方面輕松勝過計算機(jī)，比如模式識別、運(yùn)動控制和多感官整合。這要?dú)w功于突觸具有可塑性，突觸是大腦計算能力的基本組成部分。這些突觸使大腦能夠以高度并行、容錯和節(jié)能的方式來運(yùn)行。我們在研究過程中演示了一種有機(jī)塑料晶體管，它可以模仿生物突觸的關(guān)鍵機(jī)能。”

Rivnay是西北大學(xué)麥考密克工程學(xué)院的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)助理教授，他與香港大學(xué)機(jī)械工程學(xué)副教授Paddy Chan共同主持了這項研究。Rivnay研究小組的博士后研究員Xudong Ji是論文的第一作者。

傳統(tǒng)計算的問題

傳統(tǒng)數(shù)字計算系統(tǒng)采用不同的處理單元和存儲單元，導(dǎo)致數(shù)據(jù)密集型任務(wù)消耗大量能量。受人腦中計算和存儲過程相結(jié)合的啟發(fā)，研究人員近些年來力求開發(fā)出更像人腦一樣運(yùn)行的計算機(jī)，借助一系列功能類似神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。

Ji說：“我們當(dāng)前的計算機(jī)系統(tǒng)的工作方式是存儲和邏輯這兩部分在物理上分開。您執(zhí)行計算，將該信息發(fā)送到存儲單元。然后，每次您要檢索該信息，就得重新調(diào)用它。如果我們可以將這兩項單獨(dú)的功能結(jié)合在一起，就可以節(jié)省空間，并節(jié)省能源成本。”

目前，記憶電阻器或“憶阻器”是最先進(jìn)的技術(shù)，可以執(zhí)行組合的處理和存儲功能，但是憶阻器的兩大缺點(diǎn)是切換能耗大、生物相容性較差。這些缺點(diǎn)導(dǎo)致研究人員將目光投向了突觸晶體管，尤其是有機(jī)電化學(xué)突觸晶體管，這種晶體管在低電壓下就能運(yùn)行，存儲器持續(xù)可調(diào)，而且對生物應(yīng)用而言具有高度兼容性。不過，挑戰(zhàn)仍然存在。

Rivnay說：“連高性能的有機(jī)電化學(xué)突觸晶體管也需要寫入操作與讀取操作分離開來。因此，如果你想要保留存儲內(nèi)容，就得將它與寫入過程斷開來，這會使集成到電路或系統(tǒng)中的工作進(jìn)一步復(fù)雜化。”

突觸晶體管的工作原理

為了克服這些挑戰(zhàn)，西北大學(xué)和香港大學(xué)的研究團(tuán)隊在可以捕獲離子的有機(jī)電化學(xué)晶體管內(nèi)部優(yōu)化了一種導(dǎo)電塑料材料。突觸是大腦中的一種結(jié)構(gòu)，神經(jīng)元可以使用名為神經(jīng)遞質(zhì)的小分子，通過突觸將信號傳輸?shù)搅硪粋€神經(jīng)元。在突觸晶體管中，離子的行為類似神經(jīng)遞質(zhì)，在終端之間發(fā)送信號以形成人工突觸。通過保留來自捕獲離子的所存儲數(shù)據(jù)，晶體管可以記住以前的活動，從而形成長期可塑性。

研究人員通過將單個突觸晶體管連接到神經(jīng)形態(tài)電路中以模擬聯(lián)想學(xué)習(xí)，演示了其設(shè)備的突觸行為。他們將壓力和光傳感器整合到電路中，并訓(xùn)練電路，將兩路不相關(guān)的物理輸入（壓力和光）彼此關(guān)聯(lián)起來。

聯(lián)想性學(xué)習(xí)最著名的例子可能是巴甫洛夫的狗，狗見到食物時自然流口水。訓(xùn)練狗、將鈴聲與食物關(guān)聯(lián)之后，狗聽到鈴聲也會開始流口水。至于神經(jīng)形態(tài)電路，研究人員通過按手指施加壓力來激活電壓。為了訓(xùn)練電路、將光與壓力關(guān)聯(lián)起來，研究人員先施加了來自LED燈泡的脈沖光，然后立即施加壓力。在這種情況下，壓力是食物，光是鈴聲。該設(shè)備的相應(yīng)傳感器檢測到了兩路輸入。

經(jīng)過一個訓(xùn)練周期后，電路在光和壓力之間建立了初步連接。經(jīng)過五個訓(xùn)練周期后，電路將光與壓力建立了緊密的關(guān)聯(lián)。光本身就能觸發(fā)信號或“無條件反應(yīng)”。

未來的應(yīng)用

由于突觸電路由塑料之類的柔性聚合物制成，因此很容易做在柔性板材上，并輕松地集成到可直接與活組織甚至大腦連接的柔性可穿戴電子設(shè)備、智能機(jī)器人和可植入設(shè)備中。

Rivnay說：“雖然我們的應(yīng)用只是概念證明，但我們提議的電路可以進(jìn)一步擴(kuò)展、加入更多的感官輸入，并與其他電子設(shè)備集成在一起，以實現(xiàn)現(xiàn)場低功耗計算。由于與生物環(huán)境相兼容，因此設(shè)備可以直接與活組織對接，這對于下一代生物電子學(xué)至關(guān)重要。”

這項研究名為《使用捕獲離子的非易失性突觸有機(jī)電化學(xué)晶體管模擬聯(lián)想學(xué)習(xí)》，得到了美國國家科學(xué)基金會、香港研究資助局基金和中國國家自然科學(xué)基金的共同資助。