用于仿生计算机的静电纺多功能纳米纤维非织造布

C. Döpke， T. Grothe， M. Klöcker， A. Ehrmann， T. Blachowicz， P. Steblinski

1. 比勒菲尔德应用科学大学 工程与数学学院(德国)2. 西里西亚理工大学 物理研究所(波兰)3. 科萨林理工大学 电子与信息学院(波兰)

计算机的计算体系结构源于冯·诺依曼理论，其处理器和内存是分开的。对于每个算法的运算，数据都必须在这两个位置之间来回传输，非常花费时间，被称为冯·诺依曼瓶颈。在许多案例中，受仿生结构的启发，如高效运行的人脑，数据可在紧密间隔的小区域间进行处理、存储和传输。本项目是应用一种全新的方法为神经形态计算创建硬件，由德国大众基金(Volkswagen Foundation)实验项目资助。目前，在使用磁隧道元件和类似的现代设备开发新颖的仿生计算机结构方面已有研究，本项目将应用纺织领域的静电纺丝技术研发仿生计算机的硬件。

1 静电纺的磁性纳米纤维垫

静电纺丝制备的纳米纤维直径通常在几十到几百纳米之间，所使用的原材料直径可达几微米。在基于针头喷射的制备方法中，聚合物溶液或熔体由针头喷出。针头和溶液接收器电极之间施加10～20 kV的高电压。因此，聚合物溶液在接收器电极方向加速，经拉伸和溶剂挥发，纳米纤维缠绕并沉积在接收器电极上。除此常用方法外，也有各种无针的纳米纤维制备技术，如使用旋转滚轮作为接收电极。

本项目的纳米纤维垫采用基于线制作的工艺(图1)，于捷克利贝雷茨大学的“纳米蜘蛛实验室”(Nanospider Lab)制备。首先将聚丙烯腈(PAN， 质量分数为14%)溶于二甲基亚砜(DMSO)中，然后加入不同数量的磁性纳米颗粒(Fe3O4，也称为磁铁矿；Fe2O3/NiO，也称为二铁四氧化镍)制备磁性纳米纤维垫。所有纺丝溶液在未加入磁性纳米颗粒的情况下先搅拌2 h，然后加入磁性纳米颗粒，手工搅拌，之后在超声波中震动分散40 min，溶解所有结块。

图1 “纳米蜘蛛实验室”的无针静电纺

在静电纺丝过程中，含有聚合物溶液的储液器以稳定的速度穿过底部导线。通过直径为0.9 mm的喷嘴将聚合物溶液涂覆在导线上(图1)。在导线与上方接地的导线之间施加80 kV的高电压，将纳米纤维拉到基体上(图1蓝色部分)。高电压电极与基体之间的距离为240 mm，纺丝室温度为22 ℃，湿度为32%。通常，5 mL的聚合物溶液可在约13 min内完成纺丝。

图2是由细纤维和“珠”(珠状增厚物)组成的纳米纤维垫。如同人脑结构，数据可以在不同的结构中存储、传输和处理。

图2 含纳米纤维与“珠”的纳米纤维垫

2 不规则纳米纤维的磁化反转

磁性纳米纤维因具有磁性而受到广泛研究。通常情况下，尽可能制备结构均匀的纳米纤维以便进行试验和仿真研究。

图2表明，静电纺纳米纤维沿其长度方向既不顺直也不均匀。已有研究表明，在纳米纤维频繁的弯折处其磁性能明显改变。然而，若想了解纳米纤维非织造布的磁性能，还必须考虑不同直径纳米纤维的随机排列问题。

准静态磁化反转示例如图3所示，图中抓取区域的边缘长度为800 nm，磁场方向自左向右，用红色表示；反之，用蓝色表示。首先，对一小部分纳米纤维垫施加从左到右的外磁场，从而使纳米纤维内的所有磁矩(用箭头表示)向右对齐[图3a)]。当外场减小时，磁矩沿纤维排列更强，这在较厚的纤维中从上到下尤为明显[图3b)]。

图3 磁化反转过程的仿真

这种磁化反转效应基于形状各向异性，类似于针只能沿其轴向磁化，而不能在其垂直方向磁化，这里的磁矩也优先沿纳米纤维的长度方向排列。

将外磁场反转，使其从右指向左，首先将较厚的纤维中的磁矩向前拖动，而侧枝中的磁矩仍保持其各向异性[图3c)]。当外加负磁场增强时，较薄纤维中的磁化强度出现逆转，如图3d)所示。

在计算机的大多数应用程序中，这种“随机”行为(各向异性)对于可靠的应用程序非常不利。可靠的应用程序将每个操作都赋予了特定且良好的响应模式。但在神经形态计算领域这种随机行为则具有潜在应用价值。

3 仿生计算程序和神经形态计算

人类大脑会接收各种各样的信号，这些信号基本上可细分为短程的化学信号和远距离的电信号。目前项目特别采用了磁信号。然而，由于炭化聚丙烯腈纳米纤维垫可导电，因此整合电信号可行。

在纺丝溶液中加入其他聚合物或无机材料也可产生额外的功能，以增加可能的短程相互作用。

通过这种方式，可模仿人类大脑的另一个特性——改变相邻细胞和突触之间耦合强度的能力。另一个重要的观点是一个数据的改变不是依靠一个单独的强脉冲，而是一系列较弱的脉冲。两个神经元之间的连接通常不是对称的，且依赖于数据的传输方向。

在研究如何将特定任务的学习和训练引入磁性纳米纤维网络(可能还包括导电或多功能纳米纤维)之前，首先有必要研究如何在这些纳米纤维中传输数据。

4 动态模拟

除上述准静态模拟外，项目还进行了动态模拟研究。图4最上方的图形为弯曲的纳米纤维，在其中间打开一个可旋转磁场，其下方的图形显示了该纤维在磁场中的变化。红色(蓝色)区域表示磁化方向向右(左)，绿色区域表示垂直于磁场方向。该磁场在纤维中间确保有规律逆转，则在弯曲纳米纤维上将产生畴壁。如图4所示，当纤维上部分磁化方向向左对齐(蓝色表示)，其周围区域磁化方向则向右对齐(红色表示)，中间定会产生畴壁将二者分隔开(绿色表示)。

随着时间的推移，这些畴壁被迫远离中心，由于磁场旋转，中心的磁化再次逆转。需指出的是，图4中磁化在中间永久畴壁的左侧发生，右侧的畴域则一次次地塌陷。据有关文献报道，畴壁的这种行为向左还是向右发生，取决于其内部结构。

图4 弯曲纳米纤维畴壁的生成和运动

该简例清晰地表明，通过纳米纤维垫传输信息并不容易。但另一方面，由纳米纤维弯曲引起的对称性破坏对于神经形态计算而言是一个有趣的问题。正如前文所述人类大脑的功能，在神经形态计算中，两个神经元之间的方向依赖性连接非常有用。

5 结论和展望

本项目探讨了将静电纺磁性纳米纤维垫应用于仿生计算机的可能性，并在模拟和试验中进行了研究。静电纺磁性纳米纤维垫中不同直径纳米纤维的随机排列及弯曲使该材料成为神经计算的潜在硬件。此外，该项目还开发了新的仿真工具，应用于纳米纤维的磁化动力研究。

在项目的进一步研究过程中，将赋予纳米纤维更多的物理和化学特性，为信号的传输创造更多的可能性。静电纺磁性纳米纤维垫将成为计算机仿生数据传输和存储的基础，为神经计算提供一种潜在的应用硬件。