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从蚕丝忆阻器/神经元突触元件到生物神经网络芯片:人工智能的未来

图1. 比尔盖茨对《连线》杂志说:如果他还是个少年,他就会做生物黑客了。“如果你想用伟大的方式改变世界,就从生物分子开始吧。
——《想当厨子的生物学家是个好黑客》
 
    2017年9月,厦门大学物理科学与技术学院刘向阳教授团队与河北大学闫小兵副教授团队合作, 在Small上发表题为:“Mesoscopic-Functionalization of Silk Fibroin with Gold Nanoclusters Mediated by Keratin and Bioinspired Silk Synapse”的论文,第一次将功能化蚕丝用于制造阻变存储/神经元突触电子元件。这种蚕丝基生物仿生元器件, 可制成生物相容/可植入/可降解生物电子芯片, 在人工智领域以及生物医药方面,具有重要的应用前景。
 

忆阻器(Resistive Switching, Memristor, RRAM)与神经元突触(Synapse)


    1971年,蔡少棠从逻辑和公理的观点指出,自然界应该还存在一个电路元件-忆阻器,它表示磁通与电荷的关系。忆阻器是一种被动电子元件,被认为是电路的第四种基本元件,仅次于电阻器、电容器及电感元件。忆阻器可以在关掉电源后,仍能“记忆”通过的电荷。两组的忆阻器更能产生与晶体管相同的功能,但更为细小。纳米忆阻器件的出现,有望实现非易失性随机存储器。并且,基于忆阻的随机存储器的集成度,功耗,读写速度都要比传统的随机存储器优越。忆阻器具有结构简单、高速、低耗、与CMOS工艺兼容等优点,被国际半导体发展路线图选为最具发展潜力的新型非易失存储技术之一。

    而忆阻器的特性与一种与其全然无关的电路相似:神经元突触。神经元之间不是单线相连,而是多线连接成错综复杂的网络。每一个神经元总是和多个神经元相连,将电信号从它的一端传到另一端。突触是神经元之间在功能上发生联系的部位,也是信息传递的关键部位。通过这些突触的信号越多,两个神经元之间的联系就越强大。如同反复记忆这一行为,便是增加神经元中的突触,以形成联系更为紧密的神经元。
图2. 神经元突触是指一个神经元的冲动传到另一个神经元或传到另一细胞间的相互接触的结构。突触是神经元之间在功能上发生联系的部位,也是信息传递的关键部位。这些突触小体可以与多个神经元的细胞体或树突相接触,形成突触。
 
    这一特性照亮了使用忆阻器制造神经突触芯片的前景,通常情况下脑电路控制逻辑神经元,忆阻器则控制它们之间的链接。

构造蚕丝神经元突触元件与生物相容神经网络


    以往忆阻器/神经突触元件的制造,主要依托无机材料,如二氧化钛等, 本研究主要以纳米金簇功能化蚕丝为主体, 以独创的柔性外延技术,第一次成功制造出蚕丝神经突触元件, 这将为制造生物相容神经网络芯片制造,打下坚实基础。

 图3. 蚕丝神经突触元件


    在天然的生物材料中,蚕丝蛋白(SF)天生具有忆阻特性。近年来,蚕丝蛋白(SF)在生物相容、可降解电子器件中展现了巨大的潜力。刘教授在其工作中,利用羊毛角蛋白包裹金纳米颗粒(WK@AuNCs),成功将其组装进入蚕丝蛋白材料的介观网络中,实现了蚕丝蛋白的介观功能化(WK@AuNCs–SF),并以此作为主要材料进行神经突触芯片的搭建。在神经系统中,当神经冲动从轴突传导到末端时,Ca2+离子大量涌入突触前膜引起递质的分泌,从而改变突触后膜的导电性。在该论文中,刘教授仿生该过程,利用Ag+离子在外加电场作用下WK@AuNCs蚕丝蛋白薄膜的迁移行为来模拟阻值渐变和阻值记忆的过程。
 

 图4:蚕丝蛋白神经元突触元件工作原理:在金簇的协助下形成银突触


    相比纯的蚕丝薄膜样品,WK@AuNCs–蚕丝薄膜极大的增强了在阻变随机存储应用中的记忆性能,其电学特性表明其具有独特的突触特性,并具有突触学习能力。这项工作解释了Ag+离子的迁移机制,羊毛角蛋白包裹的Au纳米颗粒在薄膜忆阻特性提升中的作用。论文最后通过细胞实验揭示了该材料在生物相容方面的巨大潜力。


神经网络:人工智能的未来?


图5. 神经网络是由传统电路链接而成的网格(技术上称交叉开关),而忆阻器出现在每一个垂直线路交叉处,然后再通入电流。

 
    在囊括了存在单像素误差的可能情况下, 近来,不同机构的研究人员, 进行神经网络识别字母与人面部识别。在经过一段时间的训练之后,忆阻器神经网络能够识别出字母与面部识别。同时更深入的训练可以进一步提升神经网络的识别表现。基础运算中的几个部分是由传统硬件完成的,而忆阻器则能处理最需要进行紧张计算的任务。如果这个设计可以扩大至大型网络的大小,那么它将颠覆电脑运算的未来。此外,忆阻是硬件实现人工神经网络突触的最好方式。由于忆阻的非线性性质,可以产生混沌电路,从而在保密通信中也有很多应用。
 
 
 
    论文全文详见:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201702390/abstract;jsessionid=22CD9799E08823A44E7ED1BA315AA781.f04t02