研究人员研制出新型突触晶体管，能够通过同时处理和存储数据来模拟人脑的可塑性。将晶体管连接成器件后，研究人员训练该器件将光与压力联系起来——这与巴甫洛夫的狗将铃声与食物联系起来的方式类似。
就像著名生理学家伊万·巴甫洛夫训练狗将铃声与食物联系起来一样，西北大学和香港大学的研究人员成功地训练他们的电路将光与压力联系起来。
该研究将于4月30日发表在《自然·通讯》杂志上。
该装置的秘密在于其新型有机电化学“突触晶体管”，它能像人脑一样同时处理和存储信息。研究人员证明，该晶体管可以模仿人脑突触的短期和长期可塑性，在记忆基础上随时间进行学习。
凭借其类脑能力，这种新型晶体管和电路有望克服传统计算的局限性，包括耗能巨大的硬件以及有限的多任务同时处理能力。这种类脑装置还具有更高的容错性，即使部分组件发生故障，也能继续顺畅运行。
“尽管现代计算机非常出色，但在模式识别、运动控制和多感官整合等一些复杂的非结构化任务中，人脑可以轻松胜过它，”西北大学的乔纳森·里夫奈说，他是该研究的资深作者。“这归功于突触的可塑性，这是大脑计算能力的基本构建模块。这些突触使大脑能够以高度并行、容错和节能的方式工作。在我们的工作中，我们展示了一种模仿生物突触关键功能的有机塑料晶体管。”
里夫奈是西北大学麦考密克工程学院生物医学工程助理教授。他与香港大学机械工程副教授陈国梁共同领导了这项研究。里夫奈小组的博士后研究员嵇旭东是该论文的第一作者。
传统计算的问题
传统的数字计算系统拥有独立的处理和存储单元，导致数据密集型任务消耗大量能量。受人脑计算与存储相结合过程的启发，近年来，研究人员一直致力于开发更像人脑的计算机，其器件阵列的功能类似于神经元网络。
“我们当前计算机系统的工作方式是存储和逻辑在物理上是分离的，”嵇旭东说。“你执行计算并将信息发送到存储单元。然后，每当你想检索该信息时，都必须将其调用。如果我们将这两个独立的功能结合在一起，就可以节省空间并降低能耗。”
目前，记忆电阻器或“忆阻器”是能够执行处理和存储组合功能的最成熟技术，但忆阻器存在开关能耗高和生物相容性较差的问题。这些缺点促使研究人员转向突触晶体管——尤其是有机电化学突触晶体管，它具有低电压工作、连续可调存储以及生物应用高兼容性的特点。然而，挑战依然存在。
“即使是高性能的有机电化学突触晶体管，也需要将写操作与读操作解耦，”里夫奈说。“因此，如果你想保留记忆，就必须将其与写入过程断开，这可能会使集成到电路或系统中的过程进一步复杂化。”
突触晶体管的工作原理
为了克服这些挑战，西北大学和香港大学团队优化了有机电化学晶体管内部的一种导电塑性材料，该材料可以捕获离子。在大脑中，突触是一种结构，神经元通过它利用称为神经递质的小分子向另一个神经元传递信号。在突触晶体管中，离子的行为类似于神经递质，在端子之间发送信号以形成人工突触。通过保留来自被捕获离子的存储数据，晶体管能够记住先前的活动，从而形成长期可塑性。
研究人员通过将单个突触晶体管连接成神经形态电路来模拟联想学习，从而展示了该装置的突触行为。他们将压力和光传感器集成到电路中，并训练电路将这两种不相关的物理输入（压力和光）联系起来。
联想学习最著名的例子也许是巴甫洛夫的狗，狗在遇到食物时会自然流口水。在训练狗将铃声与食物联系起来后，狗听到铃声时也会开始流口水。对于神经形态电路，研究人员通过手指按压施加压力来激活电压。为了训练电路将光与压力联系起来，研究人员首先施加来自LED灯泡的脉冲光，然后立即施加压力。在这个场景中，压力是食物，光是铃声。装置相应的传感器检测到了这两个输入。
经过一个训练周期后，电路在光和压力之间建立了初步联系。经过五个训练周期后，电路显著地将光与压力联系起来。仅凭光就能触发信号，即“非条件反应”。
未来应用
由于突触电路由软聚合物制成，像塑料一样，因此可以很容易地在柔性片材上制造，并轻松集成到柔软的可穿戴电子产品、智能机器人和植入式设备中，这些设备可以直接与活体组织甚至大脑连接。
“虽然我们的应用只是一个概念验证，但我们提出的电路可以进一步扩展，以包含更多的感官输入，并与其他电子设备集成，从而实现现场、低功耗计算，”里夫奈说。“因为它与生物环境兼容，该装置可以直接与活体组织连接，这对下一代生物电子设备至关重要。”