让计算机芯片更像真正的脑细胞

人脑被称为“三磅宇宙”（人脑重约1.5千克，约3磅）。人脑媲美宇宙，不仅因脑神经元数量与宇宙星系数量相近，还因其功能的超级复杂性。

人类大脑是如此神奇和不可思议，因此，人们对模仿人类神经连接或突触工作方式的神经形态计算机电路愈发感兴趣。研究人员正在尝试使用柔软、灵活的有机材料来复制大脑的这种神奇之处，这些材料可以像生物神经元一样运作，有一天甚至可能能够与它们互连。最终，这种柔软的“神经形态”计算机芯片可直接植入大脑，让人们通过意念就能控制人造手臂或计算机显示器。

计算机芯片技术的下一次重大飞跃

与传统的计算机芯片不同，这种新奇的计算机芯片可以像真正的神经元一样发送和接收化学信号和生物电信号。2021年，美国斯坦福大学材料科学家阿尔伯托· 萨莱奥在关于有机神经形态器件潜力的文章中指出：“你的大脑与化学物质、多巴胺和血清素等神经递质一起工作，新颖的材料与它们一起发生电化学相互作用。”

萨莱奥和其他研究人员使用柔软的有机材料创建的电子设备，可以像晶体管（用于放大和切换电信号）和存储单元（用于存储信息），以及其他基本电子元件一样工作。用硅、金属和有机材料制成的电路的工作原理与传统数字计算机中的电路不同，它们更像人脑中的神经元网络。

传统数字计算机需要一次一个步骤地工作，1 和 0在计算机处理器之间来回穿梭，速度和能源使用都会遭遇瓶颈。而大脑处理信息的方式与计算机截然不同，单个神经元从许多其他神经元接收信号，所有这些信号汇总在一起，也对接收这些信号的每个神经元的电状态产生影响。在人类大脑的神经网络中，每个神经元既是计算设备（整合其接收到的所有信号的值），又充当存储设备，将所有这些组合信号的值存储为无限可变的模拟值，这与计算机以1 和 0处理信息的方式有着天壤之别。

研究人员开发了许多不同的忆阻设备来模仿大脑的这种能力，当电流通过时，电阻会有所改变。与生物神经元相似，这些设备通过将接触的所有电流值相加来进行计算和记忆。例如，一个简单的有机忆阻器有两层导电材料，施加电压时，电流将带正电的离子从一层驱动到另一层，从而改变另一层下次暴露于电流时的导电程度。这是一种以物理学原理来进行计算的方法。

有机忆阻器如何存储信息：在栅极 （G） 上施加的电压（如来自传感器的电压）将正离子从电解质层驱动到相邻的有机聚合物层中，改变聚合物从源极（S） 流向漏极（D）的电流的电阻，电阻的大小代表所存储的值

人工神经元与生物神经元有机结合

目前，大多数忆阻器和相关器件采用的都是标准的硅芯片技术，而非有机材料。萨莱奥指出，如果使用有机材料，那么运行速度会更快，能量消耗也会更少，最大的优点是它们可以与大脑整合为一个有机整体。这些材料柔软且有弹性，还具有电化学特性，使它们能够与生物神经元相互作用。

德国亚琛工业大学的电气工程师弗朗西斯卡·桑托罗正在开发的一种聚合物器件，可以从真实细胞中获取信息并从中“学习”。在她设计的器件中，细胞与人工神经元之间有一个隔开的小空间，类似于将真实神经元彼此分开的突触，细胞产生的神经信号和化学物质多巴胺可改变人造装置的电状态，产生的多巴胺越多，人工神经元的电状态变化就越大。桑托罗表示：“我们的最终目标是设计出看起来像神经元、行为也像神经元的电子产品。”该项技术可利用大脑活动来驱动假肢或计算机显示器。当今的假肢系统使用的是标准的电子设备，包括只能获取电活动模式的电极，这类电子设备体积庞大，而且需要外接电脑才能操作。

灵活的神经形态电路将能够以更精细的方式转换神经信号，对来自单个神经元的信号作出响应。这些器件还可以自行处理一些必要的计算，节省能量并提高处理速度。

这种低层次分散型的系统，即由小型神经拟态计算机处理本地传感器接收到的信息，是神经拟态计算极具前景的一个途径。事实上，它们与神经元的生物电信息运行方式非常相似，将是神经元组织最终与大脑进行物理和电耦合的理想选择。

真实神经元如何与人造神经元进行通信：生物神经元在与人工神经元的连接处释放多巴胺（红色小点），带正电荷的多巴胺（金色小点）流过设备。电阻大小取决于多巴胺释放的速度以及在人工神经元上的积累量