養(yǎng)蠶繅絲在我國歷史悠久。作為一種古老的天然動(dòng)物纖維，蠶絲包含纖維狀蛋白質(zhì)絲纖蛋白、無機(jī)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(diǎn)，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(jìn)功能材料》上的一項(xiàng)成果，讓這一夢想更近了一步。

這項(xiàng)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(tuán)隊(duì)。該團(tuán)隊(duì)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(shí)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(duì)未來實(shí)現(xiàn)可植入生物電子傳感與計(jì)算、在體(在活體內(nèi))實(shí)時(shí)人工智能計(jì)算，以及遠(yuǎn)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(tuán)隊(duì)還將相關(guān)技術(shù)，進(jìn)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(dú)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(shí)別和認(rèn)知等領(lǐng)域，并逐漸成為引領(lǐng)社會(huì)進(jìn)步的科技要素之一。但在如今的智能時(shí)代，數(shù)據(jù)計(jì)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(jì)算機(jī)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(jìn)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(shí)，基于模擬神經(jīng)的網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，憶阻器的運(yùn)算模式、功耗、讀寫速度，都要比傳統(tǒng)的運(yùn)算與記存分開進(jìn)行的模式，有著革命性的提升。這個(gè)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(yùn)用在人工智能等復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)計(jì)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(jī)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(shí)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(jī)蛋白質(zhì)器件受到青睞。

至此，劉向陽團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)了源于桑蠶絲的絲素蛋白材料。“該有機(jī)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(jī)材料，由于缺少特有的電荷傳輸機(jī)制，在構(gòu)建憶阻器時(shí)，存在電學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性極差、信息存儲(chǔ)擦寫速度慢及工作能耗高等問題，無法實(shí)際應(yīng)用。

為了迎接這些挑戰(zhàn)，劉向陽團(tuán)隊(duì)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(jì)，可創(chuàng)造出全新的蠶絲介觀電子功能材料，實(shí)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(tuán)隊(duì)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(jìn)展，與同類有機(jī)生物元器件相比，其速度是有機(jī)生物材料的上百倍，耗電只是最好的同類有機(jī)生物電子器件的十分之一，開關(guān)比達(dá)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(jí)結(jié)構(gòu)，“奧秘”在于團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)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(shí)現(xiàn)對(duì)材料憶阻性能的優(yōu)化調(diào)控，得到擦寫速度達(dá)10納秒的超快蛋白質(zhì)基阻變存儲(chǔ)器，比純蠶絲的以及目前所報(bào)道的蛋白質(zhì)基憶阻器，快二到三個(gè)數(shù)量級(jí)。

據(jù)了解，這是目前所報(bào)道的蛋白質(zhì)基信息存儲(chǔ)領(lǐng)域最快擦寫速度，甚至可以與頂級(jí)無機(jī)類材料憶阻器相媲美。該成果的突破，證實(shí)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(jià)值，可為柔性電子器件提供新的設(shè)計(jì)思路及理論基礎(chǔ)。(記者 謝開飛)