科学家研制具有学习能力忆阻器
来源：科学时报 2013年03月06日
一个能学习的纳米元件：比勒菲尔德大学研制的忆阻器被内置于比人头发薄600倍的芯片中
北京时间3月5日消息，据国外媒体报道，长久以来，科学家一直梦想着造出像大脑一样的电脑。大脑比电脑更加节能，而且还会自主学习，不需要任何编程。来自比勒菲尔德大学物理学系的高级讲师安迪·托马斯博士正在做这方面的努力，他的研究材料是忆阻器(memristor)，一种能够模仿神经功能的微电子元件。托马斯及其同事在一年之前就制作出了一种具有学习能力的忆阻器。现在，安迪·托马斯利用这种忆阻器作为人工大脑的关键部件，他的研究结果将于近期发表在《物理学学报D辑：应用物理学》杂志上。
忆阻器由极薄的纳米薄膜制成，可用于连接电子回路。多年来，忆阻器一直被视为神经突触的电子版。突触是神经元之间联系的桥梁，神经元活动越多，这种突触联系也就越多。通常，一个神经元与其他神经元通过数千个突触进行联系。忆阻器可以接收来自电子回路的脉冲，并且在关掉电源后，仍能“记忆”先前通过的电荷量。因此，忆阻器允许通过的电流量取决于之前通过电流的强度及通过的时间。
安迪·托马斯解释说，因为忆阻器与突触的这种相似性，使其成为制造人工大脑——从而打造出新一代的电脑——的绝佳材料，“它使我们得以建造极为节能、耐用，同时能够自学的处理器。”托马斯的文章总结了自己的实验结果，并借鉴其他生物学和物理学研究的成果，首次阐述了这种仿神经系统的电脑如何将自然现象转化为技术系统，及其中应该遵循的几个原则。这些原则包括，忆阻器应像突触一样，“注意”到之前的电子脉冲；而且只有当刺激脉冲超过一定的量时，神经元才会做出反应，忆阻器也是如此。
正是由于这种特性，神经突触才能在大脑学习的过程中发挥关键作用。安迪·托马斯以巴甫洛夫的经典生理学实验为例，说明了学习的过程。如果狗看到食物，就会出现流口水的自然反应；如果狗每次看到食物时都听到铃声，那么铃声这种“中性”的刺激就会与引起反射反应的刺激联系起来。所以，最后狗即使没有看到食物，在听到铃声时也会流口水。这种条件反射的生理原因是，做出反射反应的神经元与触发这些反应的神经元之间具有更多的突触联系。
如果中性的响铃刺激与食物刺激同时出现，狗的大脑就会开始学习，其负责这两种刺激的神经元之间建立起更多的联系。“你也可以用忆阻器建立起类似的电子回路，这是通往仿神经处理器的第一步。”安迪·托马斯说，“这是完全有可能做到的，因为相比原来基于比特(bit)的计算机处理器，忆阻器对信息的存储更加精确。”忆阻器和比特都是利用电子脉冲进行工作，但后者不能进行任何微小调整，而只能“开”和“关”。相比之下，忆阻器能够持续增高或减弱电阻。托马斯解释道：“这也是人工大脑进行学习和遗忘的过程中，忆阻器如何发挥作用的基础。”
