在纳米级设备中观察到的类脑行为

“微小的大脑”可能对更强大，更节能的计算具有长期影响。加州大学洛杉矶分校的科学家James Gimzewski和Adam Stieg是一个国际研究团队的一部分，该团队朝着创建思维机器的目标迈出了重要的一步。

该小组在国立材料科学研究所的研究人员的带领下，创建了一种实验装置，该装置具有类似于某些大脑行为的特征-学习，记忆，健忘，清醒和睡眠。该论文发表在《科学报告》上，描述了处于连续变化状态的网络。

UCLA化学与生物化学杰出教授，加州大学洛杉矶分校加州纳米系统研究所成员，这项研究的合著者Gimzewski说：“这是一个介于秩序与混乱之间的系统，处于混乱的边缘。” 该设备不断发展和变化的方式模仿了人类的大脑。它可以提出不同类型的行为模式，这些模式不会重复。”

这项研究是沿着这一道路迈出的第一步，该道路最终可能会导致在物理上和功能上都类似于大脑的计算机-这些机器可能能够解决当代计算机所遇到的问题，并且所需要的功率将比当今的计算机少得多。

研究人员研究的设备是由缠结的银纳米线制成的，平均直径仅为360纳米。(纳米是十亿分之一米。)将纳米线涂在约1纳米厚的绝缘聚合物中。总体而言，该设备本身的尺寸约为10平方毫米-很小，以至于只需要25毫米就可以覆盖一角钱。

纳米线被允许在硅晶片上随机自组装，形成高度互连的结构，这些结构与形成新皮层的结构非常相似，新皮层是大脑的一部分，具有更高的功能，如语言，感知和认知。

纳米线网络与常规电子电路不同的一个特征是，流经纳米线网络的电子会导致网络的物理结构发生变化。在这项研究中，电流导致银原子从聚合物涂层内部迁移，并在两条纳米线重叠的地方形成连接。该系统有大约一千万个这样的连接，类似于脑细胞连接和交流的突触。

研究人员将两个电极连接到类似于大脑的网格上，以描绘网络的运行情况。他们观察到“紧急行为”，这意味着网络显示的整体特征不能归因于组成它的各个部分。这是使网络类似于大脑并将其与常规计算机区分开的另一个特征。

在电流流过网络之后，在某些情况下，纳米线之间的连接会持续长达一分钟，这类似于大脑的学习和记忆过程。其他时候，充电结束后，连接突然关闭，模仿了大脑的遗忘过程。

在其他实验中，研究小组发现，当流入的功率更少时，该设备所表现出的行为与神经科学家使用功能性MRI扫描拍摄熟睡者的大脑图像时所看到的行为相对应。随着功率的增加，纳米线网络的行为与唤醒大脑的行为相对应。

该论文是一系列研究纳米线网络作为大脑启发系统的出版物中的最新论文，这是Gimzewski与UCLA研究科学家，CNSI副总监Stieg一起帮助开拓的研究领域。

这项研究的共同作者斯蒂格说：“我们的方法对于产生既节能又能够处理挑战现代计算机极限的复杂数据集的新型硬件可能很有用。”

纳米线网络的边界混乱活动不仅类似于大脑内的信号传导，还类似于其他自然系统，例如天气模式。这可能意味着，随着进一步的开发，该设备的未来版本将有助于对这种复杂的系统进行建模。

在其他实验中，Gimzewski和Stieg已经哄骗了一种银纳米线设备，可以根据前几年的交通数据成功预测洛杉矶交通模式的统计趋势。

由于它们与大脑的内部工作原理相似，因此未来基于纳米线技术的设备也可以像大脑自己的处理一样展现出能效。人脑的工作功率大致相当于20瓦白炽灯泡所使用的功率。相比之下，执行劳动密集型任务的计算机服务器(从机器学习培训到执行互联网搜索)可以使用相当于许多家庭的能源，并伴随着碳足迹。

Gimzewski说：“在我们的研究中，我们承担的任务不仅仅是对现有计算机进行重新编程。” “我们的愿景是最终将能够处理更接近人类操作方式的任务的系统。”

该研究的第一作者艾德里安·迪亚兹·阿尔瓦雷斯(Adrian Diaz-Alvarez)来自国立材料科学研究所国际纳米材料研究中心。合著者包括NIMS的Tomonobu Nakayama和Rintaro Higuchi，他们也是NIMS的作者。和澳大利亚悉尼大学的Zdenka Kuncic。

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