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在人工智能（AI）和大数据时代，计算机和数据中心会消耗大量能源，比如每一次搜索引擎查询、每一次通过人工智能生成文本以及发展自动驾驶等技术。相比之下，人类大脑的能效要高得多。据外媒报道，为了开发受大脑启发的更强大、更节能的计算机，基尔大学（CAU）材料科学与电气工程学研究团队现已确定对合用硬件的基本要求，并开发出具有与生物神经系统类似动态行为的材料，可能使电子系统中产生新型信息处理方式。
动态而不是串行处理信息
基尔大学纳米电子学教授Hermann Kohlsted表示：“计算机是串行处理信息，而人们的大脑并行且动态地处理信息。例如在模式识别方面，人脑要快得多，而且消耗的能量更少。”研究人员希望将大自然作为开发新电子元件和计算机架构的灵感来源。与传统的计算机芯片、晶体管和处理器不同，自然的处理信号设计方式类似于人们大脑中不断变化的神经元和突触网络。
材料科学家Alexander Vahl博士表示：“但是，计算机仍然是硅基技术。尽管硬件在xy方面取得了明显的进步，但在连接性和稳健性方面，神经元和突触网络仍然无可比拟。为了能够映射生物信息处理动态，需要探讨新材料和新工艺。
因此，研究团队专注于开发具有与三维生物神经系统类似动态行为的材料。这里的“动态”由于材料中原子和粒子的排列可以改变而产生。为此，研究人员确定计算机硬件必须满足七个基本原则，才能实现与大脑相似的功能，例如其中包括一定程度的可变性：所谓的大脑可塑性是学习或记忆过程的要求。研究人员为此开发的材料满足了其中几个基本原则。但是，能够满足一切条件的“终极”材料尚不存在。
该团队开发的动态材料系统的三个示例：银-金纳米颗粒网状物可以快速改变其电导率（左边）；在液体中，金属丝在电化学反应过程中在电极之间生长在一起，从而形成网络结构（中）；电极栅上液固复合系统中的氧化锌颗粒会根据振荡器的电输入而改变其位置（右）。（图片来源：基尔大学）
超越传统硅技术
功能纳米材料学教授Rainer Adelung博士表示：“我们将这些材料相互结合或与其他材料结合，从而为实现超越传统硅技术的计算机开辟了可能性。现在工业和社会需要越来越高的计算能力，但小型化电子产品等策略已达到标准计算机的技术极限。我们希望通过这项研究开辟新的视野。”
举例来说，材料科学博士研究员Maik-Ivo Terasa提到，该研究团队开发的特殊颗粒网状物具有不寻常的行为。“如果以某种方式生产银金纳米颗粒并施加电信号，它们就会表现出特殊的性质，其特点是在稳定性和快速变化的电导率之间取得平衡。”同样，当大脑在可塑性和稳定性之间达到平衡时，也就是所谓的临界状态，可以实现最佳工作效果。
在另外三个实验中，研究人员发现，使用氧化锌纳米颗粒和通过电化学形成的金属丝，均可通过振荡器的电输入来改变网络路径。研究团队对这些电路进行耦合，它们的电信号偏转会逐渐同步。在有意识的感官知觉中，神经元之间交换信息的电脉冲也会发生类似的情况。
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