科学家打造仿真神经元功能媲美真实神经元

科学家成功开发模拟真实神经元的人工神经元

近日，麻省大学阿默斯特分校（UMass Amherst）的工程师团队取得一项具有突破性意义的研究成果。他们开发了一种基于细菌蛋白纳米线的人工神经元，该装置不仅能够以极低电压工作，还能实现与生物系统的直接通信。这项研发成果标志着人工神经元技术的一大进步，为设计更高效的计算设备和可穿戴电子产品打开了全新的可能性。

这项研究得益于UMass Amherst团队此前利用能够产生电能的特殊细菌——Geobacter sulfurreducens——开发的蛋白纳米线技术。新的人工神经元以该细菌的蛋白纳米线为核心材料，模拟了真实生物神经元的电活动，其功能参数几乎完全匹配自然神经元。

“人类大脑可以以极低的能耗处理海量信息，而当前的人工智能模型，如大型语言模型，往往需要巨大的电力支持。”本研究第一作者、麻省大学电子与计算机工程专业的研究生舒艾·富（Shuai Fu）指出，“相较之下，人类大脑的运作效率高出普通计算机电路100倍以上。仅通过消耗约20瓦的功率，大脑就可以完成复杂任务，而现代人工智能模型可能需要超过兆瓦的电力才能实现类似的功能。”

这一差异为科学家设计人工神经元以提升计算效率提供了灵感。然而，传统人工神经元技术由于使用高压、更高功率，一直无法实现与生物神经元的直接连接。此次研究中的人工神经元仅需0.1伏的电压，与人体自然神经元的需求完全一致，从而突破了这一限制。

麻省大学的研究团队表示，这种低电压人工神经元有望为实现生物启发式计算设备铺平道路。通过仿生概念重新设计计算机系统，将显著提升能耗效率，同时扩大与生物组织直接通信的技术可能性。

“Current wearable devices and biosensors require complex electrical signal amplification steps for computers to properly read the data. These steps not only consume energy but also add to the design complexity of the devices,” explained Jun Yao, senior scientist of the research project and associate professor of electrical and computer engineering at the University of Massachusetts. “The new artificial neuron technology completely eliminates the traditional amplification process, making devices not only more efficient but also expanding their potential applications significantly.”

未来，这种技术可以用于开发汗水供能的传感器、能够直接与人体通信的可穿戴医疗设备，以及从空气中收集电能的能量收集装置。团队过去的研究成果包括一种由生物膜构成的汗液供能设备、一种能够检测疾病的电子鼻，以及“几乎可以由任何材料制造”的空气取电设备。

这项技术的核心是Geobacter sulfurreducens产生的蛋白纳米线，这种细菌因其发电能力被认为是自然界的奇迹。通过对这种细菌的深入研究，科学家已经设计了多种高效设备。这一次突破性成果，不仅进一步展示了生物技术对电子设备设计的巨大潜力，同时也昭示了更加环保和可持续技术的发展方向。