使計算機晶片更像腦細胞

人腦是一臺令人驚歎的計算機器。它重量僅約三磅，但處理資訊的速度比最快的超級計算機快一千倍，儲存資訊量比功能強大的筆記型電腦多一千倍，而完成這一切所消耗的能量卻不超過 20 瓦的燈泡。

研究人員正試圖使用柔軟的柔性有機材料來複制這種成功，這些材料可以像生物神經元一樣運作，甚至在未來可能能夠與它們互連。最終，柔軟的“神經形態”計算機晶片可以直接植入大腦，使人們僅透過思考就能控制人造手臂或計算機顯示器。

與真正的神經元類似——但與傳統的計算機晶片不同——這些新裝置可以傳送和接收化學和電訊號。“您的大腦透過化學物質，透過神經遞質（如多巴胺和血清素）工作。我們的材料能夠與它們進行電化學相互作用，”斯坦福大學材料科學家阿爾貝託·薩萊奧說，他 撰寫了關於有機神經形態裝置潛力的文章，發表在 2021 年的 《材料研究年度評論》上。

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薩萊奧和其他研究人員已經使用這些柔軟的有機材料建立了電子裝置，這些裝置可以像電晶體（放大和切換電訊號）和儲存單元（儲存資訊）以及其他基本電子元件一樣工作。

這項工作源於人們對模仿人類神經連線或突觸工作方式的神經形態計算機電路日益增長的興趣。這些電路，無論是用矽、金屬還是有機材料製成，其工作方式都更像人腦中的神經元網路，而不是數字計算機中的電路。

傳統的數字計算機一次執行一個步驟，它們的架構在計算和記憶體之間建立了根本性的劃分。這種劃分意味著必須在計算機處理器上的位置之間來回傳遞 1 和 0，從而造成速度和能量使用的 瓶頸。

大腦的工作方式不同。一個神經元接收來自許多其他神經元的訊號，所有這些訊號加在一起會影響接收神經元的電狀態。實際上，每個神經元都充當計算裝置（整合它接收到的所有訊號的值）和儲存裝置：以無限可變的模擬值而不是數字計算機的零或一儲存所有這些組合訊號的值。

研究人員已經開發了許多不同的“憶阻”裝置來模仿這種能力。當您透過它們執行電流時，您會改變電阻。與生物神經元一樣，這些裝置透過累加它們所暴露的所有電流的值來進行計算。它們透過電阻所呈現的最終值來記憶。

例如，一個簡單的有機憶阻器可能具有兩層導電材料。當施加電壓時，電流會將帶正電的離子從一層驅動到另一層，從而改變第二層下次暴露於電流時導電的容易程度。（見圖。）亞利桑那州立大學坦佩分校的計算機工程師 馬修·馬裡內拉說：“這是一種讓物理學進行計算的方式”，他研究神經形態計算。

該技術還使計算機擺脫了嚴格的二進位制值。“當您擁有經典的計算機記憶體時，它要麼是零，要麼是一。我們製造的記憶體可以是零到一之間的任何值。因此，您可以以模擬方式對其進行調整，”薩萊奧說。

目前，大多數憶阻器和相關裝置並非基於有機材料，而是使用標準的矽晶片技術。有些甚至在商業上用作加速人工智慧程式的一種方式。但薩萊奧說，有機元件有可能更快地完成這項工作，同時使用更少的能量。更好的是，它們可以設計成與您自己的大腦整合。這些材料柔軟且具有柔性，並且還具有電化學特性，使其能夠與生物神經元相互作用。

例如，現在在德國亞琛工業大學的電氣工程師弗朗西斯卡·桑託羅正在開發一種 從真實細胞獲取輸入並從中“學習”的聚合物裝置。在她的裝置中，細胞與人工神經元之間被一個小空間隔開，類似於將真實神經元彼此隔開的突觸。當細胞產生神經訊號化學物質多巴胺時，多巴胺會改變裝置人工部分的電狀態。細胞產生的多巴胺越多，人工神經元的電狀態變化就越大，正如您在兩個生物神經元中可能看到的那樣。（見圖。）“我們的最終目標是真正設計看起來像神經元並且像神經元一樣運作的電子裝置，”桑託羅說。

這種方法可以為使用大腦活動驅動 假肢 或 計算機顯示器提供更好的方法。今天的系統使用標準電子裝置，包括只能拾取廣泛的電活動模式的電極。而且裝置笨重，需要外部計算機才能執行。

柔性神經形態電路可以在至少兩個方面改進這一點。它們將能夠以更精細的方式轉換神經訊號，響應來自單個神經元的訊號。薩萊奧說，這些裝置也可能能夠處理一些必要的計算本身，這可以節省能源並提高處理速度。

薩萊奧和桑託羅說，這種低階、分散式的系統——小型神經形態計算機在本地感測器接收資訊時對其進行處理——是神經形態計算的一個有希望的途徑。“它們如此出色地再現了神經元的電操作，這一事實使它們非常適合與神經元組織進行物理和電氣耦合，”桑託羅說，“並最終與大腦耦合。”

本文最初發表在 Knowable Magazine 上，Knowable Magazine 是 Annual Reviews 的一項獨立新聞事業。註冊新聞通訊。