摘要：马萨诸塞大学阿默斯特分校的工程师团队近日宣布了一项突破性成果：他们成功创造出工作电压仅为0.1伏的人工神经元，这一数值与人体内真实神经元的电压水平完全吻合。这项发表在《自然通讯》期刊上的研究成果，标志着在仿生计算和生物电子学领域取得的重大进展，有望彻底改变我们

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251013040335.htm

马萨诸塞大学阿默斯特分校的工程师团队近日宣布了一项突破性成果：他们成功创造出工作电压仅为0.1伏的人工神经元，这一数值与人体内真实神经元的电压水平完全吻合。这项发表在《自然通讯》期刊上的研究成果，标志着在仿生计算和生物电子学领域取得的重大进展，有望彻底改变我们对节能计算和生物兼容电子设备的认知。

解决能耗难题的生物启发方案

当前人工智能技术面临的最大挑战之一便是能耗问题。以ChatGPT等大型语言模型为例，执行复杂任务时的功耗可能超过一兆瓦，而人脑完成同样任务仅需约20瓦功率。这种巨大的能效差距促使科学家们将目光转向生物系统寻找解决方案。

"我们的大脑处理着海量数据，但其功耗却极其微小，这种效率远超现有的任何计算机系统。"该研究的主要作者、麻省大学电气和计算机工程研究生傅帅表示。人体的电效率比典型计算机电路高出100倍以上，这主要归功于数十亿个神经元以极低电压进行信号传输的特殊机制。

传统人工神经元设计的一个主要瓶颈在于其工作电压远高于生物神经元。此前的人工神经元需要1伏以上的电压才能正常工作，不仅能耗巨大，而且无法直接与对强电信号敏感的活体神经元连接。该研究的资深作者、麻省大学电气与计算机工程副教授Jun Yao指出："以往版本的人工神经元使用的电压是我们新设计的10倍，功耗也是10倍。"

细菌蛋白质纳米线的神奇特性

麻省大学的工程师用细菌制造了受活体启发的神经元，可以为下一代类脑节能技术提供动力。图片来源：Shutterstock

这项突破的关键在于一种来源意想不到的材料——由硫还原地杆菌合成的蛋白质纳米线。这种细菌本身就具有发电能力，其产生的蛋白质纳米线不仅具有优异的导电性能，更重要的是能够在极低电压下维持稳定的电信号传输。

硫还原地杆菌的发现本身就是一个科学奇迹。这种细菌能够通过呼吸过程中的电子传递链直接产生电流，其细胞表面的蛋白质纳米线就像微型电缆一样，能够高效传导电子。研究团队巧妙地利用了这一特性，将细菌的蛋白质纳米线整合到人工神经元的设计中。

Jun Yao教授及其团队此前已经利用这种蛋白质纳米线开发出多种创新设备，包括可由汗液驱动的生物膜发电装置、能够检测疾病的"电子鼻"传感器，以及可以从环境中收集电能的空气发电设备。这些前期研究为当前的人工神经元突破奠定了坚实基础。

革命性应用前景

这种超低功耗人工神经元的问世将在多个领域产生深远影响。首先是在仿生计算领域，基于生物原理的计算机设计将成为可能。这类计算机不仅能耗极低，还能够模拟生物神经网络的工作方式，在模式识别、学习和适应性方面表现出更优异的性能。

在可穿戴电子设备领域，这项技术同样具有颠覆性意义。"我们目前的可穿戴传感系统相对笨重且效率低下，"Jun Yao教授解释道，"每当它们检测到来自身体的信号时，都必须对其进行电放大才能供计算机分析。这个放大步骤不仅增加了功耗，还增加了电路的复杂性。"而使用新型低压神经元构建的传感器可以完全省去放大环节，直接处理生物电信号。

这种直接兼容性为脑机接口技术开辟了新的可能。传统的脑机接口设备往往需要复杂的信号处理和放大电路，这不仅增加了系统的复杂性和能耗，还可能对生物组织造成不良影响。新型人工神经元可以直接与大脑神经元通信，大大简化了接口设计，提高了系统的可靠性和安全性。

技术挑战与未来发展

尽管这项研究取得了重大突破，但要实现大规模商业化应用仍面临诸多挑战。首先是制造工艺的标准化问题。细菌蛋白质纳米线的生产需要精确控制细菌培养条件，如何在工业规模上保持产品质量的一致性是一个重要课题。

其次是器件的稳定性和寿命问题。生物材料在非生物环境中的长期稳定性需要进一步验证，特别是在不同温度、湿度和化学环境下的表现。研究团队需要开发相应的封装和保护技术，确保器件在实际应用中的可靠性。

此外，与现有电子系统的集成也是一个技术难点。虽然新型人工神经元具有超低功耗的优势，但其输出信号的处理和传输仍需要与传统电子器件兼容。这要求开发新的电路设计方法和信号处理算法。

产业影响与投资前景

这项技术突破预计将催生新的产业机会。在医疗设备领域，基于生物兼容人工神经元的植入式医疗器械可能实现更长的电池续航和更好的生物相容性。在人工智能硬件领域，超低功耗的神经形态芯片有望大幅降低数据中心的能耗，为边缘计算提供新的解决方案。

多家科技巨头和投资机构已经开始关注这一技术方向。虽然从实验室到产品化仍需时间，但其巨大的应用潜力和明确的技术路径使其成为值得长期关注的投资热点。

该研究得到了陆军研究办公室、美国国家科学基金会、美国国立卫生研究院和阿尔弗雷德·斯隆基金会的资助支持，体现了美国政府和学术界对这一前沿技术的重视程度。

随着研究的深入和技术的成熟，基于细菌蛋白质纳米线的人工神经元有望在未来十年内实现产业化应用，为人类社会的数字化转型提供更加节能和智能的技术基础。

来源：人工智能学家