科學(xué)家打印的一種人工神經(jīng)元，不僅能模擬活體神經(jīng)元，還能直接與真實(shí)的腦細(xì)胞相互作用。這種靈活且低成本的裝置能夠產(chǎn)生與神經(jīng)元極為相似的電信號，從而激活生物腦組織。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然-納米技術(shù)》。

Hersam實(shí)驗(yàn)室中的一臺氣溶膠噴射打印機(jī)將電子墨水沉積到柔性聚合物基底上。圖片來源：美國西北大學(xué)

在用小鼠腦切片進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，人工神經(jīng)元成功觸發(fā)了真實(shí)神經(jīng)元的反應(yīng)。這意味著電子設(shè)備與活體神經(jīng)系統(tǒng)的兼容性達(dá)到了一個(gè)新的水平。

該技術(shù)可應(yīng)用于腦機(jī)接口和神經(jīng)假體，例如幫助恢復(fù)聽覺、視力或運(yùn)動功能的植入物，同時(shí)為受大腦啟發(fā)的新一代計(jì)算系統(tǒng)指明了方向。通過模擬神經(jīng)元的信息傳遞方式，未來的硬件能夠用更少的能量完成復(fù)雜的任務(wù)。

“我們生活的世界將由人工智能（AI）主導(dǎo)。”研究負(fù)責(zé)人、美國西北大學(xué)的Mark C. Hersam表示，“要讓AI變得更聰明，就需要用越來越多的數(shù)據(jù)訓(xùn)練它。這種數(shù)據(jù)密集型訓(xùn)練會帶來巨大的能耗問題。因此，我們必須研發(fā)出更高效的硬件來處理大數(shù)據(jù)和AI。由于大腦的能效比數(shù)字計(jì)算機(jī)高出5個(gè)數(shù)量級，因此從大腦中汲取下一代計(jì)算技術(shù)的靈感是有意義的?！?/p>

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通過在剛性二維硅芯片上集成數(shù)十億個(gè)相同的晶體管來處理不斷增加的工作量，并且每個(gè)組件都以相同的方式工作。一旦制造出來，整個(gè)系統(tǒng)便保持不變了。

而大腦的工作方式則截然不同。它由多種類型的神經(jīng)元組成，每種神經(jīng)元都有專門的功能，并排列成柔軟的三維網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)會不斷變化，隨著學(xué)習(xí)過程來形成或調(diào)整連接。

“硅基芯片通過集成數(shù)十億個(gè)相同的器件來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性?！盚ersam說，“所有器件都是相同的，一旦制造完成就變得剛性和固定。大腦則恰恰相反，它是異質(zhì)的、動態(tài)的和三維的。要向這個(gè)方向發(fā)展，就需要新的材料和制造電子產(chǎn)品的新方法?！?/p>

盡管此前已有人工神經(jīng)元問世，但大多數(shù)產(chǎn)生的信號過于簡單。為實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，工程師通常需要龐大的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，而這會增加能耗。

為更好地模擬真實(shí)的神經(jīng)活動，團(tuán)隊(duì)使用更接近大腦結(jié)構(gòu)的柔軟可印刷材料制造了人工神經(jīng)元。他們使用由二硫化鉬納米薄片和石墨烯制成的電子墨水，其中二硫化鉬用作半導(dǎo)體，石墨烯用作電導(dǎo)體。這些材料通過氣溶膠噴射印刷技術(shù)沉積到柔性聚合物表面。

此前，研究人員將這些墨水中的聚合物視為缺陷，因?yàn)樗鼤蓴_電性能，因此在印刷后將其去除。而在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)卻利用這一特性提升了器件性能。

“我們不是完全去除聚合物，而是讓它部分分解?！盚ersam說，“當(dāng)我們給器件通電后，這些聚合物會進(jìn)一步分解。這一過程以空間不均勻的方式發(fā)生，并形成導(dǎo)電絲，從而使所有電流集中在一個(gè)狹窄的區(qū)域內(nèi)。”

這種狹窄的導(dǎo)電路徑會產(chǎn)生類似神經(jīng)元放電的突然電響應(yīng)。由此制成的設(shè)備可以產(chǎn)生各種各樣的信號，包括單峰、持續(xù)和爆發(fā)式放電，與真實(shí)的神經(jīng)通信極為相似。

由于每個(gè)人工神經(jīng)元都能產(chǎn)生更復(fù)雜的信號，因此執(zhí)行高級任務(wù)所需的組件會大幅減少，有望顯著提高計(jì)算效率。

為評估人工神經(jīng)元能否真的與活體系統(tǒng)相互作用，研究人員將人工信號應(yīng)用于小鼠的腦切片。結(jié)果表明，這些信號能可靠地激活真實(shí)神經(jīng)元，并以類似自然大腦活動的方式觸發(fā)神經(jīng)回路。

除性能外，這種新方法還很環(huán)保，制造過程簡單且成本低廉，增材印刷技術(shù)僅在需要的地方沉積材料，減少了浪費(fèi)。

“為滿足AI的能源需求，科技公司正在建造由專用核電站供電的千兆瓦級數(shù)據(jù)中心?！盚ersam說，“顯然，這種巨大的能耗將限制計(jì)算技術(shù)的進(jìn)一步升級，很難想象下一代數(shù)據(jù)中心需要100座核電站供電。另外，消耗千兆瓦級電力會產(chǎn)生大量熱量。由于數(shù)據(jù)中心用水冷卻，因此AI給水資源供應(yīng)帶來了巨大壓力。無論從哪個(gè)角度看，我們都需要為AI研發(fā)更高效的硬件?！?/p>

相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41565-026-02149-6