新型电子设备的设计模仿了人脑的高效学习

从微生物Geobacter（橙色）中收获的蛋白质纳米线（绿色）的图形描述有助于电子忆阻器设备（银）以生物电压起作用，模拟大脑中的神经元成分（蓝色连接点）。

马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员推进了神经形态计算。

仅在10年前，致力于他们希望开启神经形态计算新领域的科学家只能梦想使用一种称为忆阻器的微型工具，该工具可以像真实的大脑突触一样运作/操作。

但是现在，马萨诸塞州大学阿默斯特分校的一个团队发现了在更好地理解蛋白质纳米线的过程中，如何使用这些导电的生物细丝来制造神经形态忆阻器或“记忆晶体管”装置。它像大脑一样，以非常低的功率非常有效地运行，以在神经元之间传递信号。详细信息将在今天的《自然通讯》（2020年4月20日）中发布。

忆阻器（存储电阻器的端口）是与电荷和磁通链相关的非线性两端电气组件。1971年，Leon Chua对它进行了描述和命名，完成了由电气，电阻，电容和电感组成的基本电学原理的四重奏。

作为第一作者傅天大，博士。解释说，电气和计算机工程学的候选人是神经形态计算的最大障碍之一，而且使它似乎无法触及的一个原因是，大多数常规计算机的工作电压都超过1伏，而大脑在大约80伏的神经元之间发送称为动作电位的信号毫伏-低很多倍。他补充说，今天，经过早期实验的十年之后，忆阻器电压已经达到了与传统计算机相似的范围，但要达到这一水平似乎是不可能的。

Fu报道说，他使用的是微生物学家和合著者Derek Lovely的UMass Amherst公司从细菌Geobacter细菌中开发的蛋白质纳米线，现在他在记忆分子达到神经学电压的地方进行了实验。这些测试是在电气和计算机工程研究人员的实验室中进行的，并且是合著者Jun Yao。

姚明说：“这是设备首次能够在与大脑相同的电压水平下运行。人们甚至都不敢希望我们能够制造出一种与大脑中的生物同等效率的设备，但是现在我们有了超低功耗计算功能的现实证据。这是一个概念上的突破，我们认为它将引起在生物电压范围内工作的电子设备的大量探索。”

Lovely指出，Geobacter的导电蛋白纳米线比昂贵的硅纳米线具有许多优势，后者需要有毒的化学物质和高能量的工艺才能生产。蛋白质纳米线在水或体液中也更稳定，这是生物医学应用的重要特征。他补充说，对于这项工作，研究人员将纳米线剪除掉了细菌，因此仅使用了导电蛋白。

傅说，他和姚明已经着手研究纯化的纳米线，例如，看看它们在不同电压下的能力。他们尝试了通过忆阻器中细小的金属线发送的正负电荷的脉冲开-关模式，从而创建了一个电子开关。

他们之所以使用金属线，是因为蛋白质纳米线有助于金属还原，改变金属离子反应性和电子转移特性。Lovely说这种微生物能力不足为奇，因为野生细菌纳米线会呼吸并化学还原金属，从而以我们呼吸氧气的方式获取能量。

姚解释说，随着开关脉冲在金属丝中产生变化，微型设备中产生了新的分支和连接，该设备的直径比人的头发直径小100倍。它在真实的大脑中产生类似于学习（新连接）的效果。他补充说：“您可以调节纳米线忆阻器突触的电导率或可塑性，以便它可以模拟生物成分以进行脑启发式计算。与传统计算机相比，该设备具有不基于软件的学习能力。”

傅回忆说：“在我们做的第一个实验中，纳米线的性能并不令人满意，但是足以让我们继续前进。”两年多的时间里，他看到了进步，直到最后一天，因为他和姚明的眼睛被计算机屏幕上出现的电压测量所吸引。

“我记得那天我们看到了如此出色的表现。我们看着计算机正在测量当前的电压扫描。它一直在运转，我们互相说，‘哇，它在起作用。’这是非常令人惊讶和令人鼓舞的。”

Fu说，Fu，Yao，Lovely和他的同事计划对这一发现进行更多的机理研究，并“充分探索忆阻器中蛋白质纳米线的化学，生物学和电子学”，以及可能的应用，其中可能包括一种设备。例如，监视心率。姚补充说：“这为这种设备有一天可以与生物系统中的实际神经元对话提供了希望。”

参考：傅天达，刘小萌，高洪彦，Joy E. Ward，刘小荣，尹冰，王忠瑞，叶卓，David JF Walker，J.Joshua Yang，陈建汉，Derek R. Lovley的“具有生物启发性的生物电压忆阻器”和姚骏（2020年4月20日），《自然通讯》。
10.1038 / s41467-020-15759-y