科學家列印的一種人工神經元，不僅能模擬活體神經元，還能直接與真實的腦細胞相互作用。這種靈活且低成本的裝置能夠產生與神經元極為相似的電信號，從而啟動生物腦組織。相關研究成果近日發表於《自然-納米技術》。

在用小鼠腦切片進行的實驗中，人工神經元成功觸發了真實神經元的反應。這意味著電子設備與活體神經系統的相容性達到了一個新的水準。

該技術可應用於腦機介面和神經假體，例如幫助恢復聽覺、視力或運動功能的植入物，同時為受大腦啟發的新一代計算系統指明了方向。通過模擬神經元的資訊傳遞方式，未來的硬體能夠用更少的能量完成複雜的任務。

“我們生活的世界將由人工智慧（AI）主導。”研究負責人、美國西北大學的Mark C. Hersam表示，“要讓AI變得更聰明，就需要用越來越多的數據訓練它。這種數據密集型訓練會帶來巨大的能耗問題。因此，我們必須研發出更高效的硬體來處理大數據和AI。由於大腦的能效比數字電腦高出5個數量級，因此從大腦中汲取下一代計算技術的靈感是有意義的。”

現代電腦通過在剛性二維矽晶片上集成數十億個相同的電晶體來處理不斷增加的工作量，並且每個組件都以相同的方式工作。一旦製造出來，整個系統便保持不變了。

而大腦的工作方式則截然不同。它由多種類型的神經元組成，每種神經元都有專門的功能，並排列成柔軟的三維網路。這些網路會不斷變化，隨著學習過程來形成或調整連接。

“矽基晶片通過集成數十億個相同的器件來實現複雜性。”Hersam說，“所有器件都是相同的，一旦製造完成就變得剛性和固定。大腦則恰恰相反，它是異質的、動態的和三維的。要向這個方向發展，就需要新的材料和製造電子產品的新方法。”

儘管此前已有人工神經元問世，但大多數產生的信號過於簡單。為實現更複雜的功能，工程師通常需要龐大的設備網路，而這會增加能耗。

為更好地模擬真實的神經活動，團隊使用更接近大腦結構的柔軟可印刷材料製造了人工神經元。他們使用由二硫化鉬納米薄片和石墨烯製成的電子墨水，其中二硫化鉬用作半導體，石墨烯用作電導體。這些材料通過氣溶膠噴射印刷技術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，因為它會干擾電性能，因此在印刷後將其去除。而在這項研究中，團隊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。”Hersam說，“當我們給器件通電後，這些聚合物會進一步分解。這一過程以空間不均勻的方式發生，並形成導電絲，從而使所有電流集中在一個狹窄的區域內。”

這種狹窄的導電路徑會產生類似神經元放電的突然電回應。由此製成的設備可以產生各種各樣的信號，包括單峰、持續和爆發式放電，與真實的神經通信極為相似。

由於每個人工神經元都能產生更複雜的信號，因此執行高級任務所需的組件會大幅減少，有望顯著提高計算效率。

為評估人工神經元能否真的與活體系統相互作用，研究人員將人工信號應用於小鼠的腦切片。結果表明，這些信號能可靠地啟動真實神經元，並以類似自然大腦活動的方式觸發神經回路。

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

“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據中心。”Hersam說，“顯然，這種巨大的能耗將限制計算技術的進一步升級，很難想像下一代數據中心需要100座核電站供電。另外，消耗千兆瓦級電力會產生大量熱量。由於數據中心用水冷卻，因此AI給水資源供應帶來了巨大壓力。無論從哪個角度看，我們都需要為AI研發更高效的硬體。”

來源：中國科技日報