新发明的电子设备可以模拟人类大脑的高效学习

时间:2020-04-25 18:20 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

新发明的电子设备可以模拟人类大脑的高效学习

马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的研究人员推进了神经形态计算。

就在10年前,科学家们还在研究一种叫做记忆电阻器的微型工具,希望它能像真正的大脑突触一样运作。

但是现在马萨诸塞大学阿姆赫斯特分校的一个研究小组在研究蛋白质纳米线的过程中,发现了如何利用这些生物导电丝来制造神经形态的忆阻器或记忆晶体管。设备。它可以像大脑一样,在极低的功率下高效地运行,在神经元之间传递信号。详情刊登在今天(2020年4月20日)的《自然通讯》杂志上。

记忆电阻器是一种与电荷和磁链有关的非线性双端电子元件。1971年,蔡立雅(Leon Chua)对其进行了描述和命名,完成了由电阻器、电容器和电感组成的四种基本电子元件的理论研究。

Tianda Fu作为第一作者,在电气和计算机工程博士生,解释说,最大的一个障碍神经形态计算,并使它看起来遥不可及的,是大多数传统计算机操作超过1伏特,而大脑发送信号的神经元之间的动作电位在80毫伏左右本;很多次低。今天,在早期实验的十年后,忆阻器电压已经达到了与传统计算机相似的范围,但低于这个范围似乎是不可能的,他补充说。

Fu报告说,利用微生物学家和合著者Derek Lovely在马萨诸塞州立大学阿姆赫斯特分校从Geobacter开发的蛋白质纳米线,他现在已经进行了记忆电阻器达到神经电压的实验。这些测试是在电子和计算机工程研究员和合著者姚俊的实验室中进行的。

姚说:“这是第一次一个设备可以在与大脑相同的电压水平下工作。人们可能甚至不敢希望我们能创造出一种与大脑中的生物对应物一样节能的设备,但现在我们有了超低功耗计算能力的现实证据。这是一个概念上的突破,我们认为它将在生物电压环境下工作的电子学领域引起广泛的探索。

Lovely指出,geobacters的导电蛋白质纳米线比昂贵的硅纳米线有很多优点,而硅纳米线需要有毒化学物质和高能过程才能产生。蛋白质纳米线在水或体液中也更稳定,这是生物医学应用的一个重要特征。他补充说,在这项工作中,研究人员将纳米线从细菌上剪下来,因此只使用传导蛋白。

傅说,他和姚已经开始把纯化的纳米线放在他们的步伐,看看他们能在不同的电压,例如。他们实验了一种正负电荷通过记忆电阻器中一个微小的金属丝发送的脉冲开关模式,这就产生了一个电子开关。

他们使用了金属线,因为蛋白质纳米线有助于金属还原,改变金属离子反应活性和电子转移特性。拉弗里说,微生物的这种能力并不令人惊讶,因为野生细菌的纳米线通过呼吸和化学还原金属来获得能量,就像我们呼吸氧气一样。

姚解释说,随着开关脉冲在金属丝中产生变化,新的分支和连接在这个比人类头发直径还小100倍的微型装置中产生。它创造了一种类似学习的效果。新连接本;在真实的大脑中。他补充道:“你可以调节纳米线记忆电阻器突触的导电性或可塑性,这样它就可以模拟生物成分,进行脑灵感的计算。”与传统的计算机相比,这种设备具有非基于软件的学习能力。

我还记得我们看这场精彩演出的那天。我们在测量电流电压扫描时看着电脑。它一直在下降,下降,我们互相说,哇,它工作了。这非常令人吃惊,也非常令人鼓舞。

Fu, Yao, Lovely和她的同事们计划进一步研究这一发现的机理,并充分探索化学、生物和电子的奥秘。傅说,记忆电阻器中的蛋白质纳米线,以及可能的应用,例如,可能包括一个监测心率的装置。姚补充说:“这为将来有一天这种设备能与生物系统中的实际神经元对话的可能性带来了希望。

生物激发的生物电压存储器;傅天达,刘晓萌,高红艳,乔伊E.沃德,刘晓荣,尹兵,王中瑞,叶卓,大卫J. F.沃克,杨建华,陈剑涵,德里克R.洛夫利和姚俊,2020年4月20日,《自然通讯》。

DOI: 10.1038 / s41467 - 020 - 15759 - y

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