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研究人員已經開發出了一種類似于大腦的新型計算設備，能夠通過聯想學習。
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。
這項研究在4月30日發表在《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，可以克服傳統計算的局限性，包括兼顧能耗和性能，以及多任務執行的能力。這種類似大腦的設備還具有更高的容錯能力，即使某些組件出現故障，也可以繼續平穩運行。
“盡管現代計算機非常出色，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。”Northwestern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。”
Rivnay是西北麥考密克工程學院的生物醫學工程助理教授，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。
現有計算系統的問題
常規的數字計算系統具有獨立的處理和存儲單元，從而導致數據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，研究人員近年來尋求開發出更像人腦那樣運行的計算機，并配備了功能類似于神經元網絡的設備。
“我們當前的計算機系統的工作方式是將內存和邏輯物理分開。”Ji說： “執行計算需要將該信息發送到存儲單元，然后，每當您要檢索該信息時，都必須對其進行調用。如果能夠將這兩個單獨的功能結合在一起，則可以節省空間并節省能源成本。”
通過將單個突觸晶體管連接到神經形態電路中，研究人員證明了它們的設備可以模擬聯想學習。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，連續可調的存儲方式運行，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中的問題進一步復雜化。”
突觸晶體管如何工作？
為了克服這些挑戰，西北大學和香港大學團隊在有機電化學晶體管中優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，神經元可以使用稱為神經遞質的小分子，通過該結構將信號傳輸到另一個神經元。在突觸晶體管中，離子的行為類似于神經遞質，在末端之間發送信號以形成人工突觸。通過保留捕獲離子的存儲數據，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形態電路中以模擬聯想學習，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。
聯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之后，當狗聽到鈴鐺的聲音時也開始流口水。對于神經形態電路，研究人員通過用手指按壓施加壓力來激活電路。為了調節電路使光與壓力相關聯，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。經過五個訓練周期后，電路將光與壓力顯著關聯。光單獨能夠觸發信號或“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。”雷鋒網
雷鋒網編譯，原文鏈接：https://techxplore.com/news/2021-04-brain-like-device-simulates-human.html 雷鋒網
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