養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絲纖蛋白、無機物等成分，以其結構穩定、質量輕、質感柔、易翻新等特點，被廣泛應用于家紡、醫療、美容等諸多領域。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，讓人工智能與大健康相結合。日前，發表在國際著名學術期刊《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、長江學者劉向陽的廈門大學團隊。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，構建出高性能、高穩定性、低能耗的可實用的蠶絲雜化介觀憶阻器及人工神經突觸。
“該成果的突破，對未來實現可植入生物電子傳感與計算、在體(在活體內)實時人工智能計算，以及遠程人性化人工智能醫療等，具有開創性意義。”3月13日，劉向陽向記者透露，目前團隊還將相關技術，進一步應用于開發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。
蠶絲獨特結構獲科研人員“青睞”
隨著大數據、人工智能的發展，人工智能芯片已經被廣泛地應用于學習、識別和認知等領域，并逐漸成為引領社會進步的科技要素之一。但在如今的智能時代，數據計算復雜度以及能耗的迅速增加，工藝與材料加工的極限，使得傳統的馮·諾依曼體系結構計算機遭遇空前挑戰，也限制了深度學習神經網絡的進一步發展。
當前，具有“存算一體”潛力的憶阻器，成為破解該瓶頸的重要技術。“憶阻器可以在關掉電源后，仍能‘記憶’通過的電荷。同時，基于模擬神經的網絡的特點，憶阻器的運算模式、功耗、讀寫速度，都要比傳統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雜、網絡計算。”劉向陽介紹說。
“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可植入等領域的應用趨勢，越來越多的有機蛋白質器件受到青睞。
至此，劉向陽團隊瞄準了源于桑蠶絲的絲素蛋白材料。“該有機材料具有優異的力學性能、生物相容性，如果將來植入人體，還能可控降解，是構建蛋白質基電子器件的理想材料。”劉向陽也指出，現有的生物有機材料，由于缺少特有的電荷傳輸機制，在構建憶阻器時，存在電學循環穩定性極差、信息存儲擦寫速度慢及工作能耗高等問題，無法實際應用。
為了迎接這些挑戰，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構的軟物質材料。通過介觀結構優化設計，可創造出全新的蠶絲介觀電子功能材料，實現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
經過長期的研究，劉向陽團隊開發的蠶絲介觀憶阻器及人工神經突觸元件，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，開關比達到1000，重復性、穩定性高。
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，具有特殊的介觀網絡多級結構，“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絡結構中，從而讓蠶絲蛋白材料，具有“超凡”的功能。
“通過實驗，我們發現一個有趣的現象，將銀納米簇組裝到絲素蛋白介觀網絡中，這些銀納米簇形成了無數介觀電勢能井，使得帶電粒子能快速、有效地在絲素蠶白網絡中‘跳躍’，極大地提升絲素蛋白材料的電子學特性。”劉向陽說。
劉向陽表示，該特性可在電場作用下實現對材料憶阻性能的優化調控，得到擦寫速度達10納秒的超快蛋白質基阻變存儲器，比純蠶絲的以及目前所報道的蛋白質基憶阻器，快二到三個數量級。
據了解，這是目前所報道的蛋白質基信息存儲領域最快擦寫速度，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域具備極大的推廣價值，可為柔性電子器件提供新的設計思路及理論基礎。(記者謝開飛)
