「材料科学」用氧化物定制人脑之梦 |物理|人工智能|电脑|

本文插图
【「材料科学」用氧化物定制人脑之梦】 定制大脑
君生突触万千环
敢把神经化断关
离子云游三纳米
葛琛得造类人间
00
编按
将自然科学中的物理、化学、材料科学囊括于一身的所谓物质科学，大概最核心的观念是：结构决定性能！因此，物质科学的核心内涵就是“结构-性能关系” ，以制造出为人类所用的好材料。众所周知，在学习和揣摩“结构-性能关系”的时光长河中，一方面，科学人通过知识的发现、构建和积累来揭示这种关系；另一方面，科学人也能放下架子和自尊心，主动去向大自然学习，其结果就是所谓仿生学的诞生与发展。
2014 年第 143 期 Scientific American 曾经刊登了一篇文章 (Scientific American No. 143, 2014; https://sa.ylib.com）。文章由陈柏宇、刘冠麟先生编译，提点了仿生学的主要知识点：

以生物结构为目标，通过研究生物材料独特的性能，反推其结构根源，然后仿造这一结构；
学习生物材料丰富的结构特征，包括自组装、多级结构、对外响应与服役效果；
最后从仿生学知识中总结出生物体的“结构-性能关系” ，为物质科学所用。

本文插图
图1. 仿生学的梦想与现实。 (左) 仿生一只昆虫之路还很长，虽然目前有个大概的样子。 (右) 用于特定用途的机械手！
(左) http://tupian.baike.com/
(右) http://www.zzss.org/news/21416.html
生物经过长时间进化，形成的结构对特定存活环境的适应性可能已达到登峰造极的程度，这是科学人虚心学习之的主要动力，不服不行。科学人鹦鹉学舌，尝试各种途径去学习与模仿生物结构的设计、选材、制备、结构优化和功能优化。如图 1 所示为两个实例，照亮梦想与现实。这是其一。
生物结构演化的结果并非就一定是完美结构。从一般性而言，每一种生物材料结构都有其缺点。这一方面是因为生物环境相对温和，另一方面则源于演化只是为了适应特定需求。因此，对生物材料的模仿，可能存在着“度”与“特殊性”的问题。这是其二。
虽然早在数百年前，西方学者就记录了生物结构-功能的细节，但科学人也就是在过去几十年大规模想象甚至制造出若干仿生材料，包括科幻电影《不可能的任务》和《蜘蛛人》中大量采用生物材料的想象与夸张。诚然，仿生学大规模成功的实例并不多，但每一样实例都充满神奇和幻觉，令科学人既兴奋亦沮丧！兴奋乃因为人类终于可以造出生物材料之一二，沮丧则源于人类认识到自己的本事不过尔尔。
这不，科学人愈挫愈勇、愈战愈强的努力，甚至让仿生学深入到量子功能材料领域。由此，诞生了诸如人工智能和大脑材料这样的新的前沿方向，令人肃然起敬。
这里即展示其中一角冰山，虽然不久前我们也曾经触及这一主题 (点击参阅《让拓扑相变存储数据》) 。而在本文中，中科院物理所金奎娟研究员、杨国桢院士团队的葛琛老师以其特定的视角，去阐明该团队如何仿生人脑结构单元——神经突触，企图学习人脑的信息处理与计算能力。很显然，这是一个充满激情和希望、却更是充满荆棘与挑战的方向。我们祝葛琛们好运！
01
仿生人脑之梦
在这生活着很多疯狂人物的地球，仿生人脑也不是什么新鲜的想法。 1950 年代，那个孤僻而内敛的艾伦·图灵，对，就是那个被誉为计算机科学与人工智能之父的英国数学学者，发布过一篇论文：《计算机器与智能》(Computing Machinery and Intelligence) 。文中提出了一个令人深思的问题：“机器会思考吗？”