研究人員已經(jīng)開發(fā)出了一種類似于大腦的新型計算設備，能夠通過聯(lián)想學習。

類似于著名的生理學家伊萬·巴甫洛夫（Ivan Pavlov）將使狗與食物關聯(lián)起來，美國西北大學（Northwestern University）和香港大學的研究人員成功地使光線和壓力的反應形成關聯(lián)。

這項研究在4月30日發(fā)表在《自然通訊》（Nature Communications）雜志。

該設備的秘密在于其新穎的有機電化學“突觸晶體管”，該晶體管可以像人的大腦一樣同時處理和存儲信息。研究人員證明，該晶體管可以模仿人類大腦中突觸的短期和長期可塑性，并隨著時間的推移而學習。

新型晶體管和電路具有類似大腦的能力，可以克服傳統(tǒng)計算的局限性，包括兼顧能耗和性能，以及多任務執(zhí)行的能力。這種類似大腦的設備還具有更高的容錯能力，即使某些組件出現(xiàn)故障，也可以繼續(xù)平穩(wěn)運行。

 “盡管現(xiàn)代計算機非常出色，但人腦在某些復雜的，非結構化的任務（例如模式識別、運動控制和多傳感器集成）中可以輕松勝過計算機?！盢orthwestern的資深作者喬納森·里夫奈（Jonathan Rivnay）表示： “這要歸功于突觸的可塑性，它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)能的方式工作。在我們的工作中，我們證明了模仿生物突觸關鍵功能的有機塑料晶體管?！?/p>

Rivnay是西北麥考密克工程學院的生物醫(yī)學工程助理教授，他與香港大學機械工程學副教授Paddy Chan共同領導了這項研究。Rivnay小組的博士后研究員Xudong Ji是該論文的第一作者。

現(xiàn)有計算系統(tǒng)的問題

常規(guī)的數(shù)字計算系統(tǒng)具有獨立的處理和存儲單元，從而導致數(shù)據(jù)密集型任務消耗大量能量。受人腦中組合的計算和存儲過程的啟發(fā)，研究人員近年來尋求開發(fā)出更像人腦那樣運行的計算機，并配備了功能類似于神經(jīng)元網(wǎng)絡的設備。

 “我們當前的計算機系統(tǒng)的工作方式是將內(nèi)存和邏輯物理分開。”Ji說： “執(zhí)行計算需要將該信息發(fā)送到存儲單元，然后，每當您要檢索該信息時，都必須對其進行調(diào)用。如果能夠?qū)⑦@兩個單獨的功能結合在一起，則可以節(jié)省空間并節(jié)省能源成本?！?/p>

通過將單個突觸晶體管連接到神經(jīng)形態(tài)電路中，研究人員證明了它們的設備可以模擬聯(lián)想學習。來源：西北大學

當前，記憶電阻器或“憶阻器”是最先進的技術，可以執(zhí)行組合的處理和記憶功能的器件，但憶阻器的開關成本高昂且生物相容性較差。這些缺點導致研究人員找到了突觸晶體管，特別是有機電化學突觸晶體管，該晶體管以低電壓，連續(xù)可調(diào)的存儲方式運行，并且對生物學應用具有高度的兼容性。盡管如此，挑戰(zhàn)仍然存在。

Rivnay說：“即使是高性能的有機電化學突觸晶體管，也要求將寫操作與讀操作分離。因此，如果要保留內(nèi)存，則必須將其與寫過程斷開連接，這會使集成到電路或系統(tǒng)中的問題進一步復雜化?！?/p>

突觸晶體管如何工作？

為了克服這些挑戰(zhàn)，西北大學和香港大學團隊在有機電化學晶體管中優(yōu)化了一種導電塑料材料，可以捕獲離子。在大腦中，突觸是一種結構，神經(jīng)元可以使用稱為神經(jīng)遞質(zhì)的小分子，通過該結構將信號傳輸?shù)搅硪粋€神經(jīng)元。在突觸晶體管中，離子的行為類似于神經(jīng)遞質(zhì)，在末端之間發(fā)送信號以形成人工突觸。通過保留捕獲離子的存儲數(shù)據(jù)，晶體管可以記住以前的活動，從而可以長期保持可塑性。

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)想學習，展示了其設備的突觸行為。他們將壓力和光傳感器集成到電路中，并訓練電路將兩個不相關的物理輸入（壓力和光）彼此關聯(lián)。

聯(lián)想學習中最著名的例子也許是巴甫洛夫的狗，它在遇到食物時會自然流口水。在對狗進行訓練使鈴鐺與食物相關聯(lián)之后，當狗聽到鈴鐺的聲音時也開始流口水。對于神經(jīng)形態(tài)電路，研究人員通過用手指按壓施加壓力來激活電路。為了調(diào)節(jié)電路使光與壓力相關聯(lián)，研究人員首先對LED燈泡施加了脈沖光，然后立即施加了壓力。在這種情況下，壓力是食物，光是鈴聲，設備的相應傳感器檢測到兩個輸入。

經(jīng)過一個訓練周期后，電路在光和壓力之間建立了初始連接。經(jīng)過五個訓練周期后，電路將光與壓力顯著關聯(lián)。光單獨能夠觸發(fā)信號或“無條件響應”。

未來的應用

由于突觸電路是由柔軟的聚合物（例如塑料）制成的，因此可以很容易地在柔性電路板上制成，并且可以輕松地與活組織甚至大腦連接的設備集成，也可以集成到柔軟的可穿戴的電子設備，智能機器人和可植入設備中。

“雖然我們的成果是概念證明，但我們提出的電路可以進一步擴展，以包括更多的感官輸入，并與其他電子設備集成在一起，以實現(xiàn)低功耗計算?！?Rivnay說，“由于它與生物兼容，因此該設備可以直接與活組織接觸，這對于下一代生物電子學至關重要?！?span style="color: #FFFFFF;">雷鋒網(wǎng)

雷鋒網(wǎng)編譯，原文鏈接：https://techxplore.com/news/2021-04-brain-like-device-simulates-human.html 雷鋒網(wǎng)

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