美國哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）團(tuán)隊與生物技術(shù)初創(chuàng)公司DNA Script合作，開發(fā)出一種由數(shù)百個離子晶體管組成的離子電路，并執(zhí)行了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算的核心過程。該研究發(fā)表在最近的《先進(jìn)材料》上。智能手機(jī)、計算機(jī)和數(shù)據(jù)中心中的微處理器通過固體半導(dǎo)體操縱電子來處理信息，但人類大腦有一個不同的系統(tǒng)，其依靠操縱液體中的離子來處理信息。

受大腦的啟發(fā)，研究人員長期以來一直在尋求在水溶液中開發(fā)“離子”電路。雖然水中的離子比半導(dǎo)體中的電子移動得慢，但具有不同物化性質(zhì)的離子可用于更豐富、更多樣化的信息處理。

研究人員首先構(gòu)建了一種新型離子晶體管。該晶體管由醌分子的水溶液組成，與兩個同心環(huán)形電極和一個中心圓盤電極相連，就像一個靶心。

施加在中心圓盤上的電壓會引起電化學(xué)反應(yīng)，從而產(chǎn)生從圓盤到水中的離子電流。兩個環(huán)形電極通過產(chǎn)生和捕獲氫離子來調(diào)節(jié)中心盤周圍的局部pH值，從而加快或降低反應(yīng)速率，也就是增加或減少離子電流。換句話說，pH控制（門控）圓盤在水溶液中的離子電流，從而產(chǎn)生電子晶體管的離子對應(yīng)物。

然后，他們設(shè)計了pH門控離子晶體管，使得圓盤電流是圓盤電壓和代表局部pH門控晶體管的“權(quán)重”參數(shù)的算術(shù)乘積。他們將這些晶體管組織成16×16陣列，以將單個晶體管的模擬算術(shù)乘法擴(kuò)展為模擬矩陣乘法。

研究人員稱，矩陣乘法是人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最普遍的計算，他們的離子電路以完全基于電化學(xué)機(jī)制的模擬方式在水中執(zhí)行矩陣乘法。雖然該離子電路不能像數(shù)字微處理器那樣快速或準(zhǔn)確，但水中的電化學(xué)矩陣乘法本身就很迷人，且具有節(jié)能的潛力。

未來，該團(tuán)隊希望進(jìn)一步地豐富系統(tǒng)的化學(xué)復(fù)雜性。到目前為止，研究團(tuán)隊只使用了3～4種離子物質(zhì)，例如氫和醌離子，以實現(xiàn)水性離子晶體管中的門控和離子傳輸。他們計劃使用更多樣化的離子種類來處理信息內(nèi)容。