科技日報北京12月22日電 (記者劉霞)韓國蔚山科學(xué)技術(shù)院科學(xué)家研發(fā)出一種完全可生物降解、性能穩(wěn)定且能耗極低的人工突觸，其由貝殼、豆類和植物纖維等天然環(huán)保材料制成，能將記憶保持時間延長至近100分鐘。這種裝置不僅為可持續(xù)神經(jīng)形態(tài)技術(shù)的發(fā)展開辟了新方向，也有助緩解電子垃圾激增等問題。相關(guān)成果發(fā)表于最新一期《自然·通訊》雜志。

　　傳統(tǒng)人工突觸常受限于功耗高、壽命短，為攻克這些難題，團(tuán)隊采用天然可生物降解聚合物，構(gòu)建出分層結(jié)構(gòu)，設(shè)計了這款能模擬大腦突觸功能的仿生裝置。

　　該裝置結(jié)構(gòu)類似微型“三明治”：兩層離子活性層之間，夾著一層由植物莖提取的醋酸纖維素制成的離子結(jié)合層，其余材料則來源于貝殼與豆類。通電時，裝置內(nèi)的鈉離子(功能類似天然神經(jīng)遞質(zhì))被釋放，通過界面結(jié)合產(chǎn)生“離子—偶極耦合”效應(yīng)。即使在停止刺激后，部分離子仍可保留，使裝置能產(chǎn)生級聯(lián)響應(yīng)，支持短期與長期記憶等多種突觸可塑性。

　　尤為突出的是，這種人工突觸的記憶保持時間長達(dá)100分鐘，創(chuàng)下目前可生物降解突觸的最長紀(jì)錄。同時，其能耗極低——每次信號傳遞僅消耗0.85飛焦耳，遠(yuǎn)低于自然腦突觸每次活動所需的2.4—24飛焦耳。

　　除性能優(yōu)越外，該設(shè)備還具有完全生物降解特性。其離子活性層與結(jié)合層在土壤中約16天即可自然分解，所用材料如醋酸纖維素等均對環(huán)境安全，分解后不殘留有害物質(zhì)。

　　團(tuán)隊還通過一個簡易機(jī)器人系統(tǒng)展示了其應(yīng)用潛力：當(dāng)設(shè)備感知到熱時，內(nèi)部離子運(yùn)動可放大信號，觸發(fā)機(jī)械手迅速從高溫物體撤回，模擬人類的反射行為。這預(yù)示著未來或可開發(fā)出能夠?qū)W習(xí)、響應(yīng)環(huán)境刺激，并在完成任務(wù)后無害化消失的環(huán)保機(jī)器人。

　　團(tuán)隊表示，這一成果同步攻克了人工突觸在超低功耗、穩(wěn)定性、耐用性與生物降解性等方面的多項難題，是開發(fā)能與環(huán)境安全交互并最終自然消融的神經(jīng)形態(tài)設(shè)備的重要進(jìn)展。

　　【總編輯圈點】

　　突觸是大腦中神經(jīng)元相互連接的節(jié)點，是信息傳遞和記憶形成的關(guān)鍵部位。科學(xué)家試圖制造出能模擬大腦突觸的電子器件，希望它像人腦一樣高效且低功耗。傳統(tǒng)電子突觸都用金屬材料制成，此次科研團(tuán)隊用自然材料制造出了一種綠色電子元件。它巧妙地采用了一種“三明治”結(jié)構(gòu)，耗能比自然腦突觸所需能量還低，記憶保存時間可長達(dá)100分鐘，還能在土壤環(huán)境中實現(xiàn)完全降解。這一成果向我們證明，科技的高性能和自然的可持續(xù)發(fā)展可以兼得。