記者 謝開飛 通訊員 歐陽桂蓮
養(yǎng)蠶繅絲在我國歷史悠久。作為一種古老的天然動物纖維,蠶絲包含纖維狀蛋白質(zhì)絲纖蛋白、無機物等成分,以其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、質(zhì)量輕、質(zhì)感柔、易翻新等特點,被廣泛應(yīng)用于家紡、醫(yī)療、美容等諸多領(lǐng)域。如今,科研人員嘗試將常見的蠶絲制作成生物AI芯片植入人體內(nèi),讓人工智能與大健康相結(jié)合。日前,發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《先進功能材料》上的一項成果,讓這一夢想更近了一步。
這項成果來自國家特聘教授、長江學(xué)者劉向陽的廈門大學(xué)團隊。該團隊首次在國際上制備出具有革命性的絲素蛋白介觀雜化材料,構(gòu)建出高性能、高穩(wěn)定性、低能耗的可實用的蠶絲雜化介觀憶阻器及人工神經(jīng)突觸。
“該成果的突破,對未來實現(xiàn)可植入生物電子傳感與計算、在體(在活體內(nèi))實時人工智能計算,以及遠程人性化人工智能醫(yī)療等,具有開創(chuàng)性意義。”3月13日,劉向陽向記者透露,目前團隊還將相關(guān)技術(shù),進一步應(yīng)用于開發(fā)高性能羊毛等全生物材料憶阻器,以及超性能全生物材料存算一體芯片。
蠶絲獨特結(jié)構(gòu)獲科研人員“青睞”
隨著大數(shù)據(jù)、人工智能的發(fā)展,人工智能芯片已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于學(xué)習(xí)、識別和認(rèn)知等領(lǐng)域,并逐漸成為引領(lǐng)社會進步的科技要素之一。但在如今的智能時代,數(shù)據(jù)計算復(fù)雜度以及能耗的迅速增加,工藝與材料加工的極限,使得傳統(tǒng)的馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機遭遇空前挑戰(zhàn),也限制了深度學(xué)習(xí)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的進一步發(fā)展。
當(dāng)前,具有“存算一體”潛力的憶阻器,成為破解該瓶頸的重要技術(shù)。“憶阻器可以在關(guān)掉電源后,仍能‘記憶’通過的電荷。同時,基于模擬神經(jīng)的網(wǎng)絡(luò)的特點,憶阻器的運算模式、功耗、讀寫速度,都要比傳統(tǒng)的運算與記存分開進行的模式,有著革命性的提升。這個特性與人腦神經(jīng)突觸的屬性類似,可以幫助模擬人腦的特征,運用在人工智能等復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)計算。”劉向陽介紹說。
“以往憶阻器、神經(jīng)突觸元件的制造,主要依托無機材料,如二氧化鈦等,然而,這些材料存在難以降解、生物相容性差等問題。”為了迎合新時期信息電子器件在柔性可穿戴及體內(nèi)可植入等領(lǐng)域的應(yīng)用趨勢,越來越多的有機蛋白質(zhì)器件受到青睞。
至此,劉向陽團隊瞄準(zhǔn)了源于桑蠶絲的絲素蛋白材料。“該有機材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能、生物相容性,如果將來植入人體,還能可控降解,是構(gòu)建蛋白質(zhì)基電子器件的理想材料。”劉向陽也指出,現(xiàn)有的生物有機材料,由于缺少特有的電荷傳輸機制,在構(gòu)建憶阻器時,存在電學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性極差、信息存儲擦寫速度慢及工作能耗高等問題,無法實際應(yīng)用。
為了迎接這些挑戰(zhàn),劉向陽團隊探索出了一條“全新路徑”。“介觀是介于微觀與納觀之間的一種體系,而絲素蛋白材料是具有介觀結(jié)構(gòu)的軟物質(zhì)材料。通過介觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,可創(chuàng)造出全新的蠶絲介觀電子功能材料,實現(xiàn)絲素蛋白材料性能的革命性提升。”劉向陽說。
小小粒子使得蠶絲擁有超凡功能
經(jīng)過長期的研究,劉向陽團隊開發(fā)的蠶絲介觀憶阻器及人工神經(jīng)突觸元件,取得了突破性的進展,與同類有機生物元器件相比,其速度是有機生物材料的上百倍,耗電只是最好的同類有機生物電子器件的十分之一,開關(guān)比達到1000,重復(fù)性、穩(wěn)定性高。
那么,該成果取得巨大突破基于什么原理?有何奧秘?劉向陽告訴記者,蠶絲作為一種已有上千年歷史的天然生物材料,具有特殊的介觀網(wǎng)絡(luò)多級結(jié)構(gòu),“奧秘”在于團隊將白銀或黃金納米尺度大小的粒子簇,“鑲嵌”在蠶絲絲素蛋白介觀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中,從而讓蠶絲蛋白材料,具有“超凡”的功能。
“通過實驗,我們發(fā)現(xiàn)一個有趣的現(xiàn)象,將銀納米簇組裝到絲素蛋白介觀網(wǎng)絡(luò)中,這些銀納米簇形成了無數(shù)介觀電勢能井,使得帶電粒子能快速、有效地在絲素蠶白網(wǎng)絡(luò)中‘跳躍’,極大地提升絲素蛋白材料的電子學(xué)特性。”劉向陽說。
劉向陽表示,該特性可在電場作用下實現(xiàn)對材料憶阻性能的優(yōu)化調(diào)控,得到擦寫速度達10納秒的超快蛋白質(zhì)基阻變存儲器,比純蠶絲的以及目前所報道的蛋白質(zhì)基憶阻器,快二到三個數(shù)量級。
據(jù)了解,這是目前所報道的蛋白質(zhì)基信息存儲領(lǐng)域最快擦寫速度,甚至可以與頂級無機類材料憶阻器相媲美。該成果的突破,證實了該介觀功能化策略在柔性材料功能化領(lǐng)域具備極大的推廣價值,可為柔性電子器件提供新的設(shè)計思路及理論基礎(chǔ)。
日前,天津大學(xué)張雷教授團隊成功開發(fā)出新型蠶絲,使天然蠶絲具備優(yōu)異抗菌性能,有望在生物醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮重要應(yīng)用價值。相關(guān)研究獲得國家自然更多
2020-02-26 12:48:16