科研人员尝试将蚕丝制作成生物AI芯片植入人体内,让人工智能与大健康相结合

来源:科技日报 2020-03-16 14:57:34

记者 谢开飞 通讯员 欧阳桂莲

养蚕缫丝在我国历史悠久。作为一种古老的天然动物纤维,蚕丝包含纤维状蛋白质丝纤蛋白、无机物等成分,以其结构稳定、质量轻、质感柔、易翻新等特点,被广泛应用于家纺、医疗、美容等诸多领域。如今,科研人员尝试将常见的蚕丝制作成生物AI芯片植入人体内,让人工智能与大健康相结合。日前,发表在国际著名学术期刊《先进功能材料》上的一项成果,让这一梦想更近了一步。

这项成果来自国家特聘教授、长江学者刘向阳的厦门大学团队。该团队首次在国际上制备出具有革命性的丝素蛋白介观杂化材料,构建出高性能、高稳定性、低能耗的可实用的蚕丝杂化介观忆阻器及人工神经突触。

“该成果的突破,对未来实现可植入生物电子传感与计算、在体(在活体内)实时人工智能计算,以及远程人性化人工智能医疗等,具有开创性意义。”3月13日,刘向阳向记者透露,目前团队还将相关技术,进一步应用于开发高性能羊毛等全生物材料忆阻器,以及超性能全生物材料存算一体芯片。

蚕丝独特结构获科研人员“青睐”

随着大数据、人工智能的发展,人工智能芯片已经被广泛地应用于学习、识别和认知等领域,并逐渐成为引领社会进步的科技要素之一。但在如今的智能时代,数据计算复杂度以及能耗的迅速增加,工艺与材料加工的极限,使得传统的冯·诺依曼体系结构计算机遭遇空前挑战,也限制了深度学习神经网络的进一步发展。

当前,具有“存算一体”潜力的忆阻器,成为破解该瓶颈的重要技术。“忆阻器可以在关掉电源后,仍能‘记忆’通过的电荷。同时,基于模拟神经的网络的特点,忆阻器的运算模式、功耗、读写速度,都要比传统的运算与记存分开进行的模式,有着革命性的提升。这个特性与人脑神经突触的属性类似,可以帮助模拟人脑的特征,运用在人工智能等复杂、网络计算。”刘向阳介绍说。

“以往忆阻器、神经突触元件的制造,主要依托无机材料,如二氧化钛等,然而,这些材料存在难以降解、生物相容性差等问题。”为了迎合新时期信息电子器件在柔性可穿戴及体内可植入等领域的应用趋势,越来越多的有机蛋白质器件受到青睐。

至此,刘向阳团队瞄准了源于桑蚕丝的丝素蛋白材料。“该有机材料具有优异的力学性能、生物相容性,如果将来植入人体,还能可控降解,是构建蛋白质基电子器件的理想材料。”刘向阳也指出,现有的生物有机材料,由于缺少特有的电荷传输机制,在构建忆阻器时,存在电学循环稳定性极差、信息存储擦写速度慢及工作能耗高等问题,无法实际应用。

为了迎接这些挑战,刘向阳团队探索出了一条“全新路径”。“介观是介于微观与纳观之间的一种体系,而丝素蛋白材料是具有介观结构的软物质材料。通过介观结构优化设计,可创造出全新的蚕丝介观电子功能材料,实现丝素蛋白材料性能的革命性提升。”刘向阳说。

小小粒子使得蚕丝拥有超凡功能

经过长期的研究,刘向阳团队开发的蚕丝介观忆阻器及人工神经突触元件,取得了突破性的进展,与同类有机生物元器件相比,其速度是有机生物材料的上百倍,耗电只是最好的同类有机生物电子器件的十分之一,开关比达到1000,重复性、稳定性高。

那么,该成果取得巨大突破基于什么原理?有何奥秘?刘向阳告诉记者,蚕丝作为一种已有上千年历史的天然生物材料,具有特殊的介观网络多级结构,“奥秘”在于团队将白银或黄金纳米尺度大小的粒子簇,“镶嵌”在蚕丝丝素蛋白介观网络结构中,从而让蚕丝蛋白材料,具有“超凡”的功能。

“通过实验,我们发现一个有趣的现象,将银纳米簇组装到丝素蛋白介观网络中,这些银纳米簇形成了无数介观电势能井,使得带电粒子能快速、有效地在丝素蚕白网络中‘跳跃’,极大地提升丝素蛋白材料的电子学特性。”刘向阳说。

刘向阳表示,该特性可在电场作用下实现对材料忆阻性能的优化调控,得到擦写速度达10纳秒的超快蛋白质基阻变存储器,比纯蚕丝的以及目前所报道的蛋白质基忆阻器,快二到三个数量级。

据了解,这是目前所报道的蛋白质基信息存储领域最快擦写速度,甚至可以与顶级无机类材料忆阻器相媲美。该成果的突破,证实了该介观功能化策略在柔性材料功能化领域具备极大的推广价值,可为柔性电子器件提供新的设计思路及理论基础。

标签:蚕丝生物AI芯片

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