能源部橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，田納西大學(xué)和得克薩斯州A&M大學(xué)的研究人員展示了受生物啟發(fā)的設(shè)備，這些設(shè)備可以加速通往神經(jīng)形態(tài)或類(lèi)似大腦的計(jì)算之路。發(fā)表在《自然通訊》上的結(jié)果報(bào)告了基于脂質(zhì)的“記憶電容器”的第一個(gè)例子，這是一種帶有記憶的電荷存儲(chǔ)組件，其處理信息的方式與突觸在大腦中的處理方式相似。他們的發(fā)現(xiàn)可能支持以生物學(xué)為模型的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，從而為機(jī)器學(xué)習(xí)提供一種感官方法。

最近的約瑟夫·納耶姆(Joseph Najem)表示：“我們的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)具有類(lèi)似生物突觸和神經(jīng)元功能的材料和計(jì)算元件，并具有廣泛的互連性和靈活性，以使自治系統(tǒng)的運(yùn)行方式不同于當(dāng)前的計(jì)算設(shè)備，并提供新的功能和學(xué)習(xí)能力。”美國(guó)俄勒岡州立大學(xué)納米相材料科學(xué)中心博士后研究員，美國(guó)能源部科學(xué)用戶(hù)設(shè)施辦公室，賓夕法尼亞州立大學(xué)機(jī)械工程系現(xiàn)任助理教授。

這種新穎的方法使用柔軟的材料來(lái)模仿生物膜，并模擬神經(jīng)細(xì)胞相互交流的方式。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種人造細(xì)胞膜，該膜形成在油中兩個(gè)脂質(zhì)包裹的水滴的界面處，以探索這種材料的動(dòng)態(tài)，電生理特性。在施加電壓時(shí)，電荷作為存儲(chǔ)的能量在膜的兩側(cè)累積，類(lèi)似于電容器在傳統(tǒng)電路中的工作方式。

但是，與常規(guī)電容器不同，記憶電容器可以“記住”先前施加的電壓，并且從字面上看可以改變信息的處理方式。合成膜根據(jù)電活性改變表面積和厚度。這些變形膜可以被調(diào)諧為針對(duì)特定生物物理和生化信號(hào)的自適應(yīng)濾波器。

“這種新穎的功能為仿照自然界的非數(shù)字信號(hào)處理和機(jī)器學(xué)習(xí)開(kāi)辟了道路，” ORNL的CNMS員工研究科學(xué)家Pat Collier說(shuō)。

所有數(shù)字計(jì)算機(jī)的顯著特征是處理和內(nèi)存的分離。信息從硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器和中央處理器之間來(lái)回傳遞，無(wú)論硬件多小或多快，都會(huì)在體系結(jié)構(gòu)中造成固有的瓶頸。

以神經(jīng)系統(tǒng)為模型的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算所采用的架構(gòu)在本質(zhì)上是不同的，因?yàn)閮?nèi)存和信號(hào)處理共同位于內(nèi)存元件(憶阻器，憶阻器和憶阻器)中。

這些“要素”構(gòu)成了模仿自然信息處理，學(xué)習(xí)和記憶的系統(tǒng)的突觸硬件。

科利爾說(shuō)，采用內(nèi)存元件設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在可擴(kuò)展性和低功耗方面具有優(yōu)勢(shì)，但真正的目標(biāo)是為人工智能開(kāi)辟一條替代之路。

涉足生物學(xué)可以帶來(lái)新的計(jì)算可能性，尤其是在“邊緣計(jì)算”領(lǐng)域，例如可穿戴和嵌入式技術(shù)，這些技術(shù)未連接到云，而是根據(jù)感官輸入和過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)即時(shí)做出決策。

生物傳感已經(jīng)發(fā)展了數(shù)十億年，成為一種高度敏感的系統(tǒng)，其細(xì)胞膜中的受體能夠挑選出具有特定氣味或味道的單個(gè)分子。“這不是我們可以用數(shù)字方式匹配的東西，”科利爾說(shuō)。

數(shù)字計(jì)算是圍繞數(shù)字信息構(gòu)建的，數(shù)字信息是通過(guò)電子電路進(jìn)行的1和0的二進(jìn)制語(yǔ)言編碼。它可以模擬人的大腦，但其固態(tài)組件無(wú)法像人腦那樣計(jì)算感覺(jué)數(shù)據(jù)。

“大腦計(jì)算通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的突觸推動(dòng)的感覺(jué)信息，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可通過(guò)學(xué)習(xí)進(jìn)行重新配置和塑造，” Collier說(shuō)。“整合生物學(xué)-使用感知生物電化學(xué)信息的生物膜-是開(kāi)發(fā)神經(jīng)形態(tài)計(jì)算功能的關(guān)鍵。”

盡管已經(jīng)證明了多種固態(tài)記憶蛋白，但該團(tuán)隊(duì)的仿生元素為潛在的“尖峰”神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了新的機(jī)會(huì)，這些神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以以自然方式計(jì)算自然數(shù)據(jù)。

尖峰神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)旨在模擬神經(jīng)元電位尖峰的方式，如果信號(hào)足夠強(qiáng)，則通過(guò)突觸將其傳遞給鄰居，從而找出為提高效率而不斷修剪的學(xué)習(xí)途徑。

具有模擬數(shù)據(jù)處理功能的具有生物啟發(fā)性的版本是一個(gè)遙遠(yuǎn)的目標(biāo)。當(dāng)前的早期研究重點(diǎn)是開(kāi)發(fā)生物電路的組件。

“我們從基礎(chǔ)開(kāi)始，憶阻器可以通過(guò)電導(dǎo)權(quán)衡信息，以確定尖峰是否足夠強(qiáng)到可以通過(guò)連接神經(jīng)元的突觸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播的時(shí)間，” Collier說(shuō)。“我們的電容器具有進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼘?shí)際上可以將能量作為電荷存儲(chǔ)在膜中，從而使神經(jīng)元具有復(fù)雜的“整合和發(fā)射”活動(dòng)，而這些活動(dòng)是獲得能夠進(jìn)行類(lèi)似于大腦計(jì)算的密集網(wǎng)絡(luò)所需的。”

該團(tuán)隊(duì)的下一步是探索新的生物材料并研究簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)具有memelements的更復(fù)雜的類(lèi)似于大腦的功能。

該期刊文章發(fā)表為“仿生膜中的動(dòng)態(tài)非線(xiàn)性記憶電容”。

標(biāo)簽： 生物電路