研究人員開發(fā)出新型計(jì)算設(shè)備 類似大腦能夠通過聯(lián)想學(xué)習(xí)

研究人員已經(jīng)開發(fā)出了一種類似于大腦的新型計(jì)算設(shè)備，能夠通過聯(lián)想學(xué)習(xí)。

類似于著名的生理學(xué)家伊萬?巴甫洛夫(Ivan Pavlov)將使狗與食物關(guān)聯(lián)起來，美國西北大學(xué)(Northwestern University)和香港大學(xué)的研究人員成功地使光線和壓力的反應(yīng)形成關(guān)聯(lián)。

這項(xiàng)研究在 4 月 30 日發(fā)表在《自然通訊》(Nature Communications)雜志。

該設(shè)備的秘密在于其新穎的有機(jī)電化學(xué)“突觸晶體管”，該晶體管可以像人的大腦一樣同時(shí)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(shí)間的推移而學(xué)習(xí)。

新型晶體管和電路具有類似大腦的能力，可以克服傳統(tǒng)計(jì)算的局限性，包括兼顧能耗和性能，以及多任務(wù)執(zhí)行的能力。這種類似大腦的設(shè)備還具有更高的容錯(cuò)能力，即使某些組件出現(xiàn)故障，也可以繼續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行。

“盡管現(xiàn)代計(jì)算機(jī)非常出色，但人腦在某些復(fù)雜的，非結(jié)構(gòu)化的任務(wù)(例如模式識別、運(yùn)動控制和多傳感器集成)中可以輕松勝過計(jì)算機(jī)。”Northwestern 的資深作者喬納森?里夫奈(Jonathan Rivnay)表示：“這要?dú)w功于突觸的可塑性，它是大腦計(jì)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(cuò)和節(jié)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(guān)鍵功能的有機(jī)塑料晶體管。”

Rivnay 是西北麥考密克工程學(xué)院的生物醫(yī)學(xué)工程助理教授，他與香港大學(xué)機(jī)械工程學(xué)副教授 Paddy Chan 共同領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)研究。Rivnay 小組的博士后研究員 Xudong Ji 是該論文的第一作者。

現(xiàn)有計(jì)算系統(tǒng)的問題

常規(guī)的數(shù)字計(jì)算系統(tǒng)具有獨(dú)立的處理和存儲單元，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)密集型任務(wù)消耗大量能量。受人腦中組合的計(jì)算和存儲過程的啟發(fā)，研究人員近年來尋求開發(fā)出更像人腦那樣運(yùn)行的計(jì)算機(jī)，并配備了功能類似于神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。

“我們當(dāng)前的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作方式是將內(nèi)存和邏輯物理分開。”Ji 說：“執(zhí)行計(jì)算需要將該信息發(fā)送到存儲單元，然后，每當(dāng)您要檢索該信息時(shí)，都必須對其進(jìn)行調(diào)用。如果能夠?qū)⑦@兩個(gè)單獨(dú)的功能結(jié)合在一起，則可以節(jié)省空間并節(jié)省能源成本。”

通過將單個(gè)突觸晶體管連接到神經(jīng)形態(tài)電路中，研究人員證明了它們的設(shè)備可以模擬聯(lián)想學(xué)習(xí)。來源：西北大學(xué)

當(dāng)前，記憶電阻器或“憶阻器”是最先進(jìn)的技術(shù)，可以執(zhí)行組合的處理和記憶功能的器件，但憶阻器的開關(guān)成本高昂且生物相容性較差。這些缺點(diǎn)導(dǎo)致研究人員找到了突觸晶體管，特別是有機(jī)電化學(xué)突觸晶體管，該晶體管以低電壓，連續(xù)可調(diào)的存儲方式運(yùn)行，并且對生物學(xué)應(yīng)用具有高度的兼容性。盡管如此，挑戰(zhàn)仍然存在。

Rivnay 說：“即使是高性能的有機(jī)電化學(xué)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(nèi)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(tǒng)中的問題進(jìn)一步復(fù)雜化。”

突觸晶體管如何工作?

為了克服這些挑戰(zhàn)，西北大學(xué)和香港大學(xué)團(tuán)隊(duì)在有機(jī)電化學(xué)晶體管中優(yōu)化了一種導(dǎo)電塑料材料，可以捕獲離子。在大腦中，突觸是一種結(jié)構(gòu)，神經(jīng)元可以使用稱為神經(jīng)遞質(zhì)的小分子，通過該結(jié)構(gòu)將信號傳輸?shù)搅硪粋€(gè)神經(jīng)元。在突觸晶體管中，離子的行為類似于神經(jīng)遞質(zhì)，在末端之間發(fā)送信號以形成人工突觸。通過保留捕獲離子的存儲數(shù)據(jù)，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(gè)突觸晶體管連接到神經(jīng)形態(tài)電路中以模擬聯(lián)想學(xué)習(xí)，展示了其設(shè)備的突觸行為。他們將壓力和光傳感器集成到電路中，并訓(xùn)練電路將兩個(gè)不相關(guān)的物理輸入(壓力和光)彼此關(guān)聯(lián)。

聯(lián)想學(xué)習(xí)中最著名的例子也許是巴甫洛夫的狗，它在遇到食物時(shí)會自然流口水。在對狗進(jìn)行訓(xùn)練使鈴鐺與食物相關(guān)聯(lián)之后，當(dāng)狗聽到鈴鐺的聲音時(shí)也開始流口水。對于神經(jīng)形態(tài)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(diào)節(jié)電路使光與壓力相關(guān)聯(lián)，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(shè)備的相應(yīng)傳感器檢測到兩個(gè)輸入。

經(jīng)過一個(gè)訓(xùn)練周期后，電路在光和壓力之間建立了初始連接。經(jīng)過五個(gè)訓(xùn)練周期后，電路將光與壓力顯著關(guān)聯(lián)。光單獨(dú)能夠觸發(fā)信號或“無條件響應(yīng)”。

未來的應(yīng)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(shè)備集成，也可以集成到柔軟的可穿戴的電子設(shè)備，智能機(jī)器人和可植入設(shè)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(jìn)一步擴(kuò)展，以包括更多的感官輸入，并與其他電子設(shè)備集成在一起，以實(shí)現(xiàn)低功耗計(jì)算。”Rivnay 說，“由于它與生物兼容，因此該設(shè)備可以直接與活組織接觸，這對于下一代生物電子學(xué)至關(guān)重要。”

關(guān)鍵詞： 研究 人員 新型 計(jì)算