科学家研制具有学习能力忆阻器

学习纳米元素:比勒菲尔德大学开发的忆阻器内置于比人类头发薄600倍的芯片中

北京时间3月5日，据国外媒体报道，科学家们早就梦想制造出像大脑一样的计算机。大脑比电脑更节能，它可以自主学习，无需任何编程。比勒菲尔德大学物理系的高级讲师安迪·托马斯博士正在这方面做出努力。他的研究材料是忆阻器，一种可以模拟神经功能的微电子元件。一年前，托马斯和他的同事制作了一个具有学习能力的忆阻器。安迪·托马斯把这个忆阻器作为人工大脑的关键部件。他的研究成果将在不久的将来发表在《物理学杂志》系列D:应用物理学上。

忆阻器由极薄的纳米薄膜制成，可以用来连接电子电路。忆阻器多年来一直被认为是突触的电子版本。突触是神经元之间的桥梁。神经元越活跃，这种突触联系就越多。通常，一个神经元通过成千上万个突触与其他神经元相连。忆阻器可以接收来自电子电路的脉冲，并“记住”断电后先前通过的电荷量。因此，允许通过忆阻器的电流量取决于之前通过的电流强度和通过时间。

安迪·托马斯解释说，由于忆阻器和突触之间的相似性，它是制造人工大脑的极好材料——因此创造了新一代计算机。"它使我们能够制造出能效极高、经久耐用、自学成才的处理器."托马斯的文章总结了他自己的实验结果，并借鉴了其他生物学和物理学的研究成果。这是第一次解释这种人工神经系统计算机如何将自然现象转化为技术系统以及应该遵循的几个原则。这些原则包括忆阻器应该像突触一样，“注意”先前的电子脉冲；此外，神经元只有在刺激脉冲超过一定量时才会做出反应，忆阻器也是如此。

正是因为这一特性，突触在大脑学习过程中发挥了关键作用。安迪·托马斯以巴甫洛夫的经典生理学实验为例，解释了学习过程。如果狗看到食物，它会自然流口水。如果狗每次看到食物都会听到铃声，那么铃声的“中性”刺激将与引起反射反应的刺激联系起来。因此，即使狗最后没有看到食物，当它听到铃声时也会流口水。这种条件反射的生理学原因是，在做出反射反应的神经元和引发这些反应的神经元之间有更多的突触联系。

如果中性钟刺激和食物刺激同时发生，狗的大脑将开始学习并在负责这两种刺激的神经元之间建立更多的联系。“你也可以用忆阻器来建立类似的电子电路，这是人工神经处理器的第一步。”安迪·托马斯说:“这是完全可能的，因为忆阻器比最初的基于位的计算机处理器存储信息更准确。”忆阻器和位与电子脉冲一起工作，但后者不能做任何微小的调整，只能打开和关闭。相反，忆阻器可以连续增加或减少电阻。托马斯解释道:“这也是忆阻器如何通过人工大脑在学习和遗忘过程中工作的基础。”阅读更多来自国外媒体的相关报道(英文)《物理学杂志》系列论文摘要D:应用物理学