侯雅琦 王鑫 侯旭

自1946年世界上第一臺電子計算機(jī)問世以來，計算機(jī)技術(shù)成為過去70多年中發(fā)展速度最快、對人類生產(chǎn)生活的影響最具顛覆性的技術(shù)，特別是近幾年飛速發(fā)展的人工智能技術(shù)更是遠(yuǎn)超人們的預(yù)期和想象。但是，人工智能技術(shù)加速發(fā)展建立在計算量指數(shù)增長的基礎(chǔ)上，因而帶來巨大能耗。因此，發(fā)展新一代節(jié)能高效的智能計算機(jī)的需求日益迫切。而反觀人類大腦，每個人每天所需的能量大約為10 465千焦，其中只有大約20%的能量供大腦使用[1]，換算下來，人類大腦的功耗僅為24.22瓦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一臺臺式機(jī)，更不用說耗能巨大的超級計算機(jī)。由此可見，人類的大腦是一個超低能耗、超高性能的生物智能系統(tǒng)，“仿腦”成為研究人員探索新型智能技術(shù)的重要突破方向。

腦科學(xué)的發(fā)展，讓人們對大腦在運算和記憶過程中超低能耗的生理過程有了更深的理解。人腦中的神經(jīng)信號是通過動作電位進(jìn)行傳導(dǎo)的，而動作電位的產(chǎn)生與神經(jīng)元細(xì)胞中離子通道對其內(nèi)部納米限域離子傳輸?shù)恼{(diào)控密不可分，而正是這種對離子傳輸?shù)恼{(diào)控構(gòu)成了從低級的肌肉收縮到高級的思維活動的生理學(xué)基礎(chǔ)。另一方面，納流控，作為一門研究納米限域空間中流體行為的技術(shù)在近15年間獲得了飛速發(fā)展。微納加工技術(shù)與納米顯微技術(shù)的成熟，使得對納米空間中離子運動的調(diào)控逐漸成為可能。

仿生納流離子學(xué)[2]就是在這幾種不同技術(shù)飛速成熟的背景下誕生的新興交叉學(xué)科。它是受大腦中神經(jīng)信號產(chǎn)生與存儲機(jī)制的啟發(fā)，借助納流控領(lǐng)域中的微納技術(shù)，對納米限域空間體系進(jìn)行設(shè)計，從而實現(xiàn)對其內(nèi)部離子等流體傳輸行為的智能調(diào)控，以期用人工納流器件平臺重現(xiàn)人腦中的神經(jīng)電信號。人工納流器件必將在未來人工智能、腦機(jī)接口與類腦智能等跨學(xué)科交叉領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

要想成功模仿神經(jīng)系統(tǒng)中的電信號，首先要明確神經(jīng)系統(tǒng)中電信號的產(chǎn)生機(jī)制。1939年，劍橋大學(xué)的霍奇金（A. L. Hodgkin）和赫胥黎（A. F. Huxley）運用自制的微電極插入槍烏賊的神經(jīng)元細(xì)胞內(nèi)，首次觀察到神經(jīng)元細(xì)胞的跨膜電信號，以及動作電位是神經(jīng)傳導(dǎo)中的基本信號單元，由此提出產(chǎn)生動作電位的離子機(jī)制模型（Hodgkin-Huxley模型）[3]，這在神經(jīng)信號產(chǎn)生與傳導(dǎo)機(jī)制的研究中具有開創(chuàng)性意義，他們因此獲得1963年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎。具體來講，神經(jīng)系統(tǒng)中的電信號通過動作電位進(jìn)行傳導(dǎo)，而動作電位的產(chǎn)生與神經(jīng)元細(xì)胞膜上的兩種關(guān)鍵離子通道（K+、Na+通道）密切相關(guān)。大部分離子通道是特定的蛋白質(zhì)分子通過自組裝形成具有一定構(gòu)型的微小通道，當(dāng)外部環(huán)境條件變化時，比如膜電位、離子濃度、溫度、pH等，蛋白質(zhì)分子的構(gòu)型會發(fā)生改變，從而改變離子通道的有效孔徑大小，實現(xiàn)對不同離子的選擇性輸運調(diào)控。

在神經(jīng)傳導(dǎo)中的K+、Na+通道都是以電壓作為門控的，也就是說，當(dāng)細(xì)胞膜內(nèi)外的電勢差（即膜電位）達(dá)到一定數(shù)值時，離子通道會發(fā)生打開與關(guān)閉兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變。神經(jīng)系統(tǒng)中動作電位的產(chǎn)生大致分為4個階段：在沒有受到外界刺激時，神經(jīng)元細(xì)胞處于靜息態(tài)，此時，細(xì)胞膜內(nèi)部的Na+濃度低于細(xì)胞膜外部，細(xì)胞膜內(nèi)部的K+濃度高于細(xì)胞膜外部，由于細(xì)胞膜內(nèi)外離子濃度的差異，細(xì)胞膜內(nèi)外整體呈現(xiàn)-64 mV的電勢差（膜電位），此時兩種離子通道均處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)細(xì)胞受到外界刺激，膜電位開始逐漸升高，達(dá)到離子通道的電壓門控閾值，Na+通道響應(yīng)迅速、快速打開，此時，K+響應(yīng)較慢，仍保持關(guān)閉狀態(tài)，細(xì)胞外部高濃度的Na+迅速流入細(xì)胞膜內(nèi)部，使細(xì)胞膜內(nèi)部的電勢升高，形成一個高峰；隨后，通過孔道蛋白構(gòu)型改變，Na+通道關(guān)閉，K+通道打開，細(xì)胞膜內(nèi)部高濃度的K+隨之?dāng)U散出去，造成細(xì)胞膜內(nèi)部電勢的迅速下降；當(dāng)膜電位下降到低于靜息電位時，兩種通道逐漸恢復(fù)關(guān)閉狀態(tài)，膜電位通過離子擴(kuò)散逐漸恢復(fù)到初始狀態(tài)，這樣一個完整的動作電位尖峰就形成了。當(dāng)這個動作電位傳導(dǎo)至下一個神經(jīng)元，會成為下一個神經(jīng)元的外界刺激，進(jìn)一步激活下一個神經(jīng)元產(chǎn)生新的動作電位。以此類推，外界刺激信號就能夠在神經(jīng)系統(tǒng)中快速傳導(dǎo)。

仿生納流離子學(xué)，即受生物神經(jīng)系統(tǒng)信號傳遞與存儲機(jī)制的啟發(fā)，以離子通道可控離子傳輸?shù)墓δ転槟０?，通過納米材料設(shè)計，構(gòu)建具有類似功能的人工離子可控傳輸納流器件平臺，內(nèi)容包括納米限域空間的制備、限域空間物質(zhì)傳輸機(jī)制的研究、面向智能應(yīng)用的納流器件開發(fā)等，并以構(gòu)建離子作為信號載體的智能計算體系為最終目標(biāo)。

離子作為信號載體的優(yōu)勢特征

仿生納流離子學(xué)當(dāng)中產(chǎn)生電信號的信號載體為離子，這與目前現(xiàn)有大部分計算機(jī)當(dāng)中的信號載體（電子與空穴）有很大不同，這種不同給仿生納流離子體系帶來了一些獨特的優(yōu)勢特性：首先，仿生納流離子體系不會出現(xiàn)空穴與電子的抵消，在動態(tài)生命過程中更加穩(wěn)定；其次，離子種類和化學(xué)性質(zhì)多樣，由于這種多樣性，未來能夠提供更強(qiáng)的編碼和并行運算能力，為設(shè)計提供了更多的靈活性；同時，帶相同電荷量離子的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于帶同等電荷量電子的質(zhì)量（>1000倍），這樣能夠更好地抵御外界各種噪聲；具有低能耗、低發(fā)熱等更接近于生物體真實狀態(tài)的特性。此外，納流體系對流體傳輸行為的調(diào)控并不僅僅局限于離子，它還能夠進(jìn)一步拓展到更廣泛的藥物分子、神經(jīng)遞質(zhì)等生物分子體系，為模仿更豐富的神經(jīng)系統(tǒng)生理過程提供更多可能性。這些特性都為未來開發(fā)類腦智能和腦機(jī)接口的應(yīng)用帶來美好的前景。

離子電子學(xué)的重要進(jìn)展

離子電子學(xué)大體經(jīng)歷了宏觀體系中的初始發(fā)展和微觀體系中的快速發(fā)展兩大階段。1959年，利用具有離子選擇性的離子交換膜首次在水溶液體系中實現(xiàn)類似半導(dǎo)體PN結(jié)的非線性離子導(dǎo)通電信號，也就是具有整流效應(yīng)的I-V電信號。這一成果拉開了在溶液體系中通過控制離子運動，實現(xiàn)特定電信號輸出的探索序幕[5]。隨后，在宏觀體系中基于離子交換膜的離子學(xué)整流器件陸續(xù)被構(gòu)建和研究，相關(guān)理論也有了一定程度的發(fā)展。但是，宏觀體系的離子電子學(xué)器件在尺寸、能源和成本效率，以及集成方面并不具備優(yōu)勢，因而在很長一段時間當(dāng)中，離子電子學(xué)的發(fā)展都比較緩慢。直到2000年前后，納流控作為一門研究納米限域空間（1～100 納米）中流體可控傳輸行為的新興學(xué)科，逐漸成為科學(xué)界關(guān)注的前沿?zé)狳c領(lǐng)域[6，7]，尤其是近15年，有關(guān)納流控的研究工作數(shù)量指數(shù)式增長，成為科學(xué)研究最活躍的領(lǐng)域之一。特別是近年來，微納加工制造與微納尺度的成像、表征技術(shù)日漸成熟，納流控技術(shù)開始進(jìn)入高速發(fā)展階段，由此，借助納流控技術(shù)與納流器件模仿、實現(xiàn)生命活動中的各種離子傳輸現(xiàn)象也逐漸從想象變?yōu)楝F(xiàn)實。納流控技術(shù)的逐步成熟推動著離子電子學(xué)的研究逐漸從宏觀研究進(jìn)入到了微觀的納米限域空間這一全新研究領(lǐng)域。

最初關(guān)于納流器件調(diào)控離子傳輸?shù)难芯考性谝痪S納流器件體系。例如，通過物理化學(xué)方法來制備人工的單納米通道，再進(jìn)一步采用生物分子，如DNA分子，對納米通道內(nèi)部進(jìn)行修飾和功能化，利用特定環(huán)境刺激下DNA分子構(gòu)型的轉(zhuǎn)變來改變納米通道的有效孔徑，從而實現(xiàn)對通道內(nèi)部離子傳輸行為的調(diào)控[4]。類似半導(dǎo)體二極管對于電子傳輸具有單向?qū)ǖ摹罢餍?yīng)”，也可以通過納米通道的設(shè)計，實現(xiàn)離子沿不同方向具有特定的傳輸行為，稱之為“納流二極管”。進(jìn)一步，采用更加復(fù)雜的分子或者具有不同響應(yīng)性的分子，比如氨基酸、短肽鏈或一些高分子材料，來構(gòu)筑更具復(fù)雜功能的仿生離子通道，通過對其結(jié)構(gòu)的對稱或非對稱設(shè)計，構(gòu)建出仿生對稱/非對稱人工離子通道，來模仿生物體系中較為復(fù)雜的離子通道結(jié)構(gòu)和功能，例如制備具有pH、溫度、離子濃度、電場、磁場、光響應(yīng)等多種響應(yīng)性協(xié)同的納流二極管體系[4，7]，之后將這些具有特定傳輸功能的納米通道集成于微流控芯片，2009年，首個以水溶液相為工作環(huán)境，以離子為信息載體的離子邏輯電路得以實現(xiàn)[5]。2019年，研究人員將碳納米管與柔性聚合物復(fù)合，設(shè)計了一種新方法，通過通道曲率的動態(tài)變化來實時調(diào)節(jié)納米通道中的離子傳輸，從而獲得不同整流特性，賦予人工納米通道動態(tài)形變的特性，這更加接近于生物體中的動態(tài)生命過程，被稱為“仿生動態(tài)納米通道”[8]。

近些年，隨著納流體系的進(jìn)一步發(fā)展，以石墨烯、氮化硼、二硫化鉬等為代表的二維材料快速涌現(xiàn)，它們具有“層層之間”所形成的平面納米限域結(jié)構(gòu)，在這個二維的限域空間里面，離子運動的平移自由度相較于一維納流體系有所增加，帶來離子間相互作用次數(shù)增加、作用形式更加多樣，離子會出現(xiàn)更多種的聚集形態(tài)，同時離子運動的滯后效應(yīng)為保持這些聚集形態(tài)帶來了潛在的記憶效應(yīng)。例如，2021年[9]，通過石墨烯片層構(gòu)建的二維限域空間，其中的單層電解質(zhì)在電場誘導(dǎo)下逐漸發(fā)生團(tuán)聚，重組成鏈狀團(tuán)簇，鏈狀團(tuán)簇的形成改變了體系的離子電導(dǎo)，賦予體系具有時間依賴性離子電導(dǎo)的記憶效應(yīng)，獲得“納流憶阻器”，并基于這個納流憶阻器單元成功重現(xiàn)了類似生物神經(jīng)元產(chǎn)生的電壓尖峰動作電位信號，展現(xiàn)了納流離子器件在模仿生物神經(jīng)系統(tǒng)行為中具有的巨大潛力。隨著離子電子學(xué)在納米尺度體系的飛速發(fā)展，仿生納流離子學(xué)這一全新概念于2021年被首次提出[2]。

腦機(jī)接口技術(shù)（brain-computer interface， BCI）一直是科幻小說等文學(xué)作品中的熱門話題。值得一提的是，近幾年由于計算機(jī)、腦科學(xué)、仿生科學(xué)、柔性電子學(xué)和材料科學(xué)等迅速發(fā)展，BCI技術(shù)也逐漸從文學(xué)走入現(xiàn)實，不光在科學(xué)界，也在社會與企業(yè)界越來越受到積極關(guān)注。2020年，馬斯克（E. Musk）的Neuralink公司發(fā)布的植入式大腦芯片，有望用于通過意識操控手機(jī)、電腦等技術(shù)設(shè)備，再次引起社會各界對BCI技術(shù)的廣泛討論與想象。但在現(xiàn)階段，大腦與計算機(jī)的雙向溝通遠(yuǎn)未實現(xiàn)實用化，其中一個主要的原因就是這兩個系統(tǒng)采用的是兩種不同的信號傳導(dǎo)介質(zhì)。由于仿生納流離子學(xué)模仿的是大腦的信號傳輸機(jī)制和工作環(huán)境，用到的信號載體是與大腦中相同的離子，工作環(huán)境也是與大腦中相同的水環(huán)境，這就大大提升了這種人工納流器件與生物大腦的兼容性，使它可能成為連接大腦與計算機(jī)之間的橋梁。

目前，全球有不少的頂尖研究團(tuán)隊都在開展相關(guān)研究，許多最新的研究成果，都為這一領(lǐng)域未來的發(fā)展提供了新穎豐富的視角和可能的突破口。例如生物體系中由于擾動或動態(tài)形變產(chǎn)生的非平衡態(tài)性質(zhì)引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注[8]，動態(tài)非平衡性的引入將為研究生物體中復(fù)雜的響應(yīng)特性提供更多的維度。我國研究人員[10]提出生物離子孔道的宏觀量子共振態(tài)可能作為神經(jīng)系統(tǒng)中信號傳輸?shù)男畔⑤d體，這種信號傳輸機(jī)制或許是神經(jīng)系統(tǒng)極其優(yōu)異節(jié)能性的原因所在。由于納流離子器件與生物體系的信息傳遞使用相同的“語言”，這將打破自然系統(tǒng)與人造系統(tǒng)之間的信息壁壘，使之成為連通生物腦與人工腦的溝通橋梁，這將極大地推動交互式腦機(jī)接口和可穿戴（或植入式）設(shè)備的開發(fā)。此外，離子器件在水溶液環(huán)境中工作，這樣還能夠利用水溶液的固液相轉(zhuǎn)變研究更具挑戰(zhàn)性的技術(shù)，如未來星際旅行中的人體冷凍與休眠技術(shù)等。

仿生納流離子學(xué)研究的終極目標(biāo)是通過模仿人類大腦中的信息產(chǎn)生和傳導(dǎo)機(jī)制，去設(shè)計類似人類大腦這種超高效超節(jié)能的人工大腦，將人工智能發(fā)展為類似人類大腦的類腦智能。這是一個龐大的工程，目前仍處于發(fā)展的最初級階段，面臨著眾多的挑戰(zhàn)，需要各個領(lǐng)域很多學(xué)科的進(jìn)步共同推動。比如，要模仿大腦，首先的理論基礎(chǔ)就是腦科學(xué)的發(fā)展，需要腦科學(xué)專家的努力。當(dāng)我們對于人類大腦中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和其中信號傳導(dǎo)或記憶等的作用機(jī)制的認(rèn)識更加深入時，就會啟發(fā)和促進(jìn)仿大腦結(jié)構(gòu)的設(shè)計。此外還需要材料科學(xué)的進(jìn)步，能夠有足夠先進(jìn)的微納加工技術(shù)精確制造所涉及的仿生納流器件。同時，必不可少的就是計算機(jī)和人工智能的發(fā)展，形成一套能適配這種新興納流元器件的算法，才能最終實現(xiàn)目標(biāo)。

[本文相關(guān)內(nèi)容受國家重點研發(fā)計劃（2018YFA 0209500）， 國家自然科學(xué)基金（52025132， 21975209， 21621091）資助。]

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關(guān)鍵詞：仿生系統(tǒng) 納流控 離子電子學(xué) 腦機(jī)接口 人工智能 ■