圖1.比爾•蓋茨對《連線》雜志說：如果他還是個少年，他就會做生物黑客了。“如果你想用偉大的方式改變世界，就從生物分子開始吧。”

——《想當廚子的生物學家是個好黑客》

2017年9月，我校闫小兵副教授團隊和廈門大學劉向陽教授團隊合作,在Small雜志上發表題為：“Mesoscopic-Functionalization of Silk Fibroin with Gold Nanoclusters Mediated by Keratin and Bioinspired Silk Synapse”的論文，第一次将功能化蠶絲用于制造神經元突觸生物電子元件。這種蠶絲基生物仿生電子元器件,可制成生物相容/可植入/可降解生物電子芯片,在人工智領域以及生物醫藥方面，具有重要的應用前景。本論文中闫小兵副教授和劉向陽教授為共同通信作者，我校博士生趙建輝與廈門大學邢瑤、史晨陽為共同一作。

憶阻器（Resistive Switching, Memristor, RRAM）與神經元突觸（Synapse）

1971年，蔡少棠從邏輯和公理的觀點指出，自然界應該還存在一個電路元件-憶阻器，它表示磁通與電荷的關系。憶阻器是一種被動電子元件，被認為是電路的第四種基本元件，僅次于電阻器、電容器及電感元件。憶阻器可以在關掉電源後，仍能“記憶”通過的電荷。兩組的憶阻器更能産生與晶體管相同的功能，但更為細小。納米憶阻器件的出現，有望實現非易失性随機存儲器。并且，基于憶阻的随機存儲器的集成度，功耗，讀寫速度都要比傳統的随機存儲器優越。憶阻器具有結構簡單、高速、低耗、與CMOS工藝兼容等優點，被國際半導體發展路線圖選為最具發展潛力的新型非易失存儲技術之一。

而憶阻器的特性與一種與其全然無關的電路相似：神經元突觸。神經元之間不是單線相連，而是多線連接成錯綜複雜的網絡。每一個神經元總是和多個神經元相連，将電信号從它的一端傳到另一端。突觸是神經元之間在功能上發生聯系的部位，也是信息傳遞的關鍵部位。通過這些突觸的信号越多，兩個神經元之間的聯系就越強大。如同反複記憶這一行為，便是增加神經元中的突觸，以形成聯系更為緊密的神經元。

圖2.神經元突觸是指一個神經元的沖動傳到另一個神經元或傳到另一細胞間的相互接觸的結構。突觸是神經元之間在功能上發生聯系的部位，也是信息傳遞的關鍵部位。這些突觸小體可以與多個神經元的細胞體或樹突相接觸，形成突觸。

這一特性照亮了使用憶阻器制造神經突觸芯片的前景，通常情況下腦電路控制邏輯神經元，憶阻器則控制它們之間的鍊接。

構造蠶絲神經元突觸元件與生物相容神經網絡

以往憶阻器/神經突觸元件的制造,主要依托無機材料,如二氧化钛等,本研究主要以納米金簇功能化蠶絲為主體,以獨創的柔性外延技術,第一次成功制造出蠶絲神經突觸元件,這将為制造生物相容神經網絡芯片制造,打下堅實基礎。

圖3.蠶絲神經突觸元件

在天然的生物材料中，蠶絲蛋白（SF）天生具有憶阻特性。近年來，蠶絲蛋白（SF）在生物相容、可降解電子器件中展現了巨大的潛力。在本項工作中，利用羊毛角蛋白包裹金納米顆粒（WK@AuNCs），成功将其組裝進入蠶絲蛋白材料的介觀網絡中，實現了蠶絲蛋白的介觀功能化（WK@AuNCs–SF），并以此作為主要材料進行神經突觸芯片的搭建。在神經系統中，當神經沖動從軸突傳導到末端時，Ca2+離子大量湧入突觸前膜引起遞質的分泌，從而改變突觸後膜的導電性。在該論文中，仿生了該過程，利用Ag+離子在外加電場作用下WK@AuNCs蠶絲蛋白薄膜的遷移行為來模拟阻值漸變和阻值記憶的過程。

圖4：蠶絲蛋白神經元突觸元件工作原理：在金簇的協助下形成銀突觸

相比純的蠶絲薄膜樣品，WK@AuNCs–蠶絲薄膜極大的增強了在阻變随機存儲應用中的記憶性能，其電學特性表明其具有獨特的突觸特性，并具有突觸學習能力。這項工作解釋了Ag+離子的遷移機制，羊毛角蛋白包裹的Au納米顆粒在薄膜憶阻特性提升中的作用。論文最後通過細胞實驗揭示了該材料在生物相容方面的巨大潛力。

神經網絡：人工智能的未來？

圖5.神經網絡是由傳統電路鍊接而成的網格（技術上稱交叉開關），而憶阻器出現在每一個垂直線路交叉處，然後再通入電流。

近來,不同機構的研究人員， 進行神經網絡識别字母與人面部識别。在囊括了存在單像素誤差的可能情況下,在經過一段時間的訓練之後，憶阻器神經網絡能夠識别出字母與完成面部識别。同時更深入的訓練可以進一步提升神經網絡的識别表現。基礎運算中的幾個部分是由傳統硬件完成的，而憶阻器則能處理最需要進行緊張計算的任務。如果這個設計可以擴大至大型網絡的大小，那麼它将颠覆電腦運算的未來。此外，憶阻器/神經元突觸是硬件實現人工神經網絡突觸的最好方式。由于憶阻器的非線性性質，可以産生混沌電路，從而在保密通信中也有很多應用。

論文全文詳見：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.201702390/abstract;jsessionid=22CD9799E08823A44E7ED1BA315AA781.f04t02