文章来自微信民众号：新智元（ID：AI_era），原题目：《芯片造脑：华人博士一作Nature两连发，神经拟态盘算竟像人脑一样“低能耗”》，泉源：phys.org，头图泉源：影戏《异形：左券》

新智元导读：想要打造类脑盘算机，最主要的是要模拟突触。克日，类脑盘算又出新突破，马萨诸塞州立大学研究小组行使卵白质纳米线作为生物导线，制造神经形态忆阻器，能在人类大脑同样的电压下运作，模拟大脑方式接受信息。元勋竟然是小小的地杆菌，能导电还能还原金属。

差不多10年前，在神经拟态盘算领域，科学家们就最先琢磨一种叫做忆阻器的微型工具，这种工具能够像真正的大脑突触一样事情。这在那时照样一个遥不能及的梦想。

想要打造类脑盘算机，最主要的是要模拟突触。要知道，人脑的事情主要依赖突触在神经元之间通报信号。人脑中，突触数目约为神经元的10000倍，因此最要害的是若何获得功耗低、可高密度集成的人工突触器件，这时结构简朴又节能的电子元件忆阻器就排上了用场。而且忆阻器能够在电源关闭之后，仍能“影象”先前通过的电荷量。

10年以后，梦想照进现实，一种更优质的忆阻器诞生了。

运行电压不到传统盘算机的8%，神经拟态忆阻器和大脑一样节能

马萨诸塞州立大学阿姆斯特分校的一个研究小组发现，他们行使卵白质纳米线来作为生物导线，来制造神经拟态忆阻器，或者说“影象晶体管”。

和大脑突触一样，它在异常低的能耗下高效运行，在神经元之间通报信号。节能又环保，异常好用！

从微生物地杆菌中提取的卵白质纳米线(绿色)，促进了影象电阻器装置(银色)在生物电压下事情，模拟了大脑中的神经元组件(蓝色毗邻)

正如第一作者、电子盘算机工程博士Tianda Fu注释的那样，神经形态盘算机最大的障碍之一，是大多数传统盘算机的运行电压跨越1伏，而大脑神经元之间的电压要低许多，一样平常在80毫伏以下，在这种电压下发送信号，也就是动作电位。

Fu示意，行使马萨诸塞大学安姆斯特分校由微生物学家 Derek Lovely 从地杆菌上取下来的卵白质纳米线，他现在已经将影象电阻器的电压调整到了神经拟态的电压水平。这些测试是在电子盘算工程研究员Jun Yao的实验室举行的。

Yao说: “这是有史以来第一次一个装备可以在与大脑相同的电压水平下事情。我们造出的这个装备，和大脑中的生物身分一样节能，真正实现了超低功耗盘算能力。这是一个重大的概念上的突破，我们以为，它将在生物电子学领域引发更宽大的探索空间。”

能导电还能还原金属，元勋竟然是小小细菌？

这种地杆菌很神奇，他喜欢电，就像皮卡丘。

  地杆菌

地杆菌，学名叫地杆菌科细菌，是一种异常主要的异化 Fe（Ⅲ）还原菌，普遍漫衍于 Fe（Ⅲ）还原环境，好比淡水沉积物、有机物或重金属污染的地下水沉积层等，具有主要的生物修复功效。

这种地杆菌上面的卵白质纳米线应用局限很广，能导电，同组研究人员此前曾开发过一种发电装置，也是借助这种卵白质，行使空气中的水分就能发电。

研究人员指出，地杆菌的导电卵白纳米线和昂贵的硅纳米线相比，有许多优点，由于硅纳米线会发生有毒的化学物质，生产历程也会消耗大量能量。

相比之下，地杆菌卵白质纳米线在水或体液中也更稳固，这对于生物医学的应用至关主要。Fu和Yao对这些纳米线举行了许多测试，好比，测试它们在差别电压下的性能。他们自己设计了一个电子脉冲开关，通过一个细小影象电阻里的金属线发送正负电荷。

他们之所以用金属丝，是由于卵白质纳米线可以促进金属还原，改变金属离子的反映性和电子转移性能。地杆菌拥有这种神奇能力并不新鲜，由于它也要呼吸，用化学方式还原金属，来获取能量，就和人要呼吸氧气一样。

《自然》上揭晓的论文中详细注释了，卵白质纳米线可以促进银（Ag ）的还原。由于还原发生在生物环境中，解释他们能够催化生物电压影象电阻器。因此，研究员行使卵白质纳米线构建了银影象电阻器，利便切换。

Yao注释说，随着脉冲开关在金属丝中转变，这个比人类头发直径小100倍的微型装置缔造出了新的分支和毗邻，就和人类的大脑一样。发生新的毗邻的历程，和人类大脑中学习新事物，接受新信息的历程是一样的。

现代神经科学中，大脑就是一种生物盘算机，虽然运行机制和传统盘算机很不一样，然则它们用类似的方式从周围天下中获得信息、存储信息、处置信息，从这个意义上讲，大脑就是盘算机中的中央处置器（CPU）。

Yao弥补说，“你可以调治纳米线影象电阻突触的传导性或可塑性，这样它就可以模拟大脑中用于盘算的生物组件。”与传统盘算机相比，这种装备的学习能力显著不是基于软件。

读博时代一年连发2篇Nature，论文一作Tianda Fu讲述实验历程艰辛

凭据第一作者Tianda Fu的Facebook显示，他中学就读于北大附中，大学时期在重庆大学。

头像

博士时代就读于UMass Amherst（马萨诸塞大学安姆斯特分校），攻读电气与盘算机工程技术，现在在该校担任Graduate Research Assistant。

UMass Amherst始建于1863年，是享誉天下的美国著名公立大学系统麻省大学系统旗舰校区，也是建校最早的校区，为天下大学同盟成员。

凭据Google学术，他的研究偏向是生物电子以及忆阻器。算上本次公布的论文，攻击揭晓论文6篇，其中2020年有2篇公布在Nature上，一篇公布在Nature communications。

Google学术

Fu的研究历程也并非一帆风顺。他回忆说: “第一批实验当中，纳米线的性能差强人意。” 在两年多的时间里不停频频实验，直到有一天，电脑屏幕上显示的电压丈量效果让他大吃一惊。

“我还记得那一天。在丈量电压时，我们一直盯着电脑屏幕看。电压一直在下降，我俩说，‘哇，起作用了，简直太激动了。”

这项研究未来有广漠的应用远景，好比说可以用于监测心率的装置。Fu，Yao和同事们将继续针对忆阻器中卵白质纳米线的化学、生物学和电子学应用举行周全的探索。Yao弥补说: “有朝一日希望这种装置能够与生物系统中的真实神经元举行对话。”

芯片造脑，科幻照进现实

以往的研究中，差别的神经系统有着差别的神经元模子，突触模子和网络模子。

2016年， IBM制造出天下首个人造纳米级随机相变神经元芯片，可实现人工智能的高速无监视学习。这一功效主要在于神经拟态盘算偏向，是以新器件的方式直接模拟脉冲神经元的行为。可以实现大尺度的图像识别，信号传输速率快，功耗低。

2019年，英特尔公司展示了其最新的可模拟800多万个神经元的Pohoiki Beach芯片系统，标志着人类向机械模拟大脑又近了一步。这个新型芯片拥有800多万个“神经元”（相当于某些小型啮齿动物的大脑）和80亿个“突触”。

它在人工智能义务执行中执行速率比传统的CPU要快一千倍，能效提高一万倍。这一芯片系统已被应用于模拟皮肤触觉感应、控制假腿及玩桌球游戏上等义务中。它在图像识别、自动驾驶和自动化机械人上带来伟大提升。

克日，揭晓在《自然机械智能》杂志上的一篇文章指出，英特尔的神经拟态芯片Loihi习得了10种危险品差别气息的特征。它的深度学习能力建立在大数据分析之上，去模拟人类嗅到气息的大脑运行机制。这一发现，拥有“嗅觉”神经拟态芯片机械人在监测环境，检测危险物质，等方面有很大的商用潜力。如应用在机场安检区域，能够高效识别有危害的物质。

神经拟态芯片不停发展，未来类脑盘算也将渗透在我们生涯的方方面面。

参考链接：

https://phys.org/news/2020-04-unveil-electronics-mimic-human-brain.html

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15759-y    

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