科学家创造新型人工突触，或将用于相连大脑

一支由斯坦福大学和加州利弗莫尔桑迪亚国家实验室研究人员组成的研究团队，近日创造了一种新型“人工突触”，这一具有前瞻性的新发现有可能在不远的将来被用于制造可以直接与大脑相连的柔性电路。

这一新型设备——有机晶体管，被研究团队称为“电化学神经态有机器件（ENODe）”。这一设备如同记忆电阻器和相变存储器，未来将被用于打造可以与大脑比肩的“计算性能型”芯片，而其所需的能量消耗与当今最为先进的硅芯片相比，却是九牛一毛。

从某些角度来看，ENODe看起来更像是一枚电池，而不是一个晶体管。在ENODe内部，具有两层聚合物薄膜，这两层薄膜被一种电解质分隔开来，这种电解质只允许质子，而不允许电子通过。

除此之外，这个器件还拥有三个类似于晶体管的端极：流过“后突触”薄膜的电流，会经过其中的两个端极；而第三个端极则与另一层薄膜（“前突触”）相连接。在“前突触端极”施加的电压脉冲，将使得流经电解质的电荷流入或导出“后突触膜”。这一流动过程会导致氧化程度的变化，并会影响薄膜的电阻。该项研究发表于最近出版的《自然·材料》杂志上。

本文的共同作者，桑迪亚国家实验室的埃里克·塔林（Alec Talin）介绍说，其他人工突触（二端极）的不足在于，从一种状态切换到另一种状态，需要极高的能量。在通常情况下，若这些设备状态转换的能量壁垒较低，那么随机的热波动可以轻而易举地克服这样的能量壁垒，这将会导致器件的状态切换完全是随机的。塔林说，“（在二端极的）人工突触根本没办法克服这一困难，因而如果你降低电压，它会直接切回到原来的状态”。

作者在文中表明，ENODe 是不存在这一问题的。ENODe与突触状态的“维持性”能量壁垒以及“控制性”能量壁垒无关，因此，这一设备很好地避开了这一难解之题。其结果是，这一器件仅需要很低的电压来进行开关操作，但却可以长时间地维持稳定的状态。塔林说：“这就像充电电池一样。一旦你开始充电，它就能一直保持稳定充电的状态。”他与斯坦福大学的阿尔伯托·萨里奥（Alberto Salleo）共同领导了这一研究。

这一新器件在1V的范围内，可以表现出500种不同的导电率，并且在相邻状态之间转换所需要的电压仅约为0.5毫伏。对于那些熟悉现代硅晶体管，亦或是习惯了伏安单位的人们来说，这绝对是一个听起来小到难以置信的数字。然而，根据斯坦福新闻稿中所述的报道来看，这一器件消耗的能量仍然是生物突触的10000倍。因此，器件的小型化将事半功倍地弥合这一巨大的鸿沟。

塔林还指出，“该器件所表现出的几项突出电气性能，使其特别适合应用于仿制大脑神经计算芯片。与此同时，能够应用于制造该器件的同种材料已经被用于连接活性脑细胞。这将会使得人工突触计算，或通过电路连接活性生物细胞成为可能。我们认为，创建更好的大脑-机器交互，将在未来产生极其深远的影响。”

为了演示这些设备如何进行工作，研究人员构建了一个简单的电路，并展示了举世闻名的“巴甫洛夫学习过程”。这一过程将证实如何将“一个信号”与“另一个信号”相关联，就如同“响铃”与“食物”这二者间的关系一样。该团队还模拟了这一器件在与神经网络结合到一起时的性能表现，并测试了其手写字符识别的能力。

塔林说，“研究人员的下一步计划，将建立一个包含这些器件的阵列，用于展示这些器件在一个真实的神经网络中的能力。在这次设备的处子秀中，状态切换大约花了10毫秒。我们会计划逐步提高这一设备的速度。”