科学家创造出具有“类脑”记忆通路的纳米流体芯片

信息来源：
https://phys.org/news/2025-10-scientists-nanofluidic-chip-brain-memory.html

计算机科学正在经历一场根本性的变革。澳大利亚莫纳什大学的研究团队成功开发出一种革命性的纳米流体芯片，该芯片不仅能够模仿传统电子晶体管的开关功能，更重要的是具备了类似大脑神经元的记忆和学习能力。这一突破性成果为下一代仿生计算系统的发展开辟了全新路径。

这块硬币大小的芯片采用特殊设计的金属有机框架（MOF）材料制造，通过控制离子在微观通道中的流动来实现信息处理。与传统计算机依赖电子在固体材料中移动不同，这种新型芯片利用质子和金属离子在液体环境中的传输来完成计算任务，从而实现了从"固态计算"向"液态计算"的技术跨越。

研究成果已发表在权威期刊《科学进展》上，标志着纳米流体技术在仿生计算领域取得的重大进展。这项技术的成功不仅为解决传统计算机芯片的性能瓶颈提供了新思路，更为实现真正意义上的类脑计算系统奠定了技术基础。

技术创新重新定义计算范式

该芯片的核心创新在于其独特的分层结构设计，这种结构使得设备能够以前所未有的方式控制不同类型离子的传输。莫纳什大学膜创新中心副主任王焕婷教授在描述这一技术突破时表示："我们首次在纳米流体设备中观察到质子的饱和非线性传导现象。这为设计具有记忆甚至学习能力的离子电子系统开辟了新的机会。"

传统的电子芯片通过控制电子的流动来实现信息处理，而这种新型纳米流体芯片则通过精确控制离子传输来完成相同功能。更重要的是，该芯片具备了传统电子器件所缺乏的记忆特性——它能够"记住"之前接收到的电压变化，并根据这些历史信息调整后续的响应行为。

这种记忆功能的实现源于MOF材料的特殊性质。金属有机框架是一类具有高度有序多孔结构的材料，其孔道尺寸可以精确控制到纳米级别。在该芯片中，研究人员利用MOF材料创建了具有两种不同尺度异质结构的复合系统：一维的密闭空间结构和三维的互连网络结构。

这种复杂的结构设计使得芯片能够选择性地控制质子和金属离子的流动路径。当电压施加到芯片上时，不同类型的离子会根据其物理化学性质选择不同的传输通道，从而实现类似神经元突触的选择性传导功能。

仿生计算的重大进展

具有两种不同尺度异质结的MOF纳米流体器件的草图：（i）PET NC的密闭空间和MOF密集相之间的一维（1D）结和（ii）h-MOFNT局部尖端侧的3D互连MOF本征相结。图片来源：Science Advances （2025）。DOI：10.1126/sciadv.adw7882

该技术最引人注目的特性是其对大脑神经网络的模仿能力。人类大脑的计算能力来源于数十亿神经元之间复杂的连接网络，每个神经元都具备根据历史刺激调整响应强度的能力，这种特性被称为神经可塑性。

共同主要作者陆军博士解释了这种仿生特性的重要意义："我们的芯片可以选择性地控制质子和金属离子的流动，它会记住之前的电压变化，从而赋予它一种短期记忆的形式。我们设备真正与众不同的是它的分层结构，这使其能够以完全不同的方式控制质子和金属离子。"

这种短期记忆功能使得芯片能够根据输入历史动态调整其响应特性，类似于生物神经元的学习过程。当芯片接收到重复的刺激信号时，它会逐渐"学会"对这类信号做出更强烈或更快速的响应，这正是神经系统学习和记忆形成的基本机制。

为了验证这一概念，研究团队构建了一个包含多个MOF通道的小型流体电路。实验结果显示，该芯片不仅能够模仿电子晶体管的基本开关功能，还表现出明显的记忆效应，为未来的液体数据存储和类脑计算系统应用奠定了基础。

技术应用前景与挑战

纳米流体芯片技术的成功开发为多个领域带来了新的应用可能性。在数据存储领域，这种具有记忆功能的流体系统可能催生全新的存储介质，特别是在需要高密度、低功耗存储的应用场景中。

在人工智能领域，该技术为开发更接近人脑工作原理的神经形态计算机提供了新的技术路径。传统的数字计算机在处理复杂的模式识别和机器学习任务时消耗大量能源，而基于纳米流体的仿生计算系统有望显著提高能效比。

生物医学应用是另一个重要的发展方向。由于该芯片使用离子传输机制，与生物系统的工作原理更加接近，因此在开发生物兼容的植入式设备、神经接口和生物传感器方面具有独特优势。

然而，这项技术的产业化仍面临诸多挑战。首先是制造工艺的复杂性，MOF材料的精确合成和芯片的批量生产需要开发全新的制造技术。其次是稳定性和可靠性问题，液体系统相比固体电子器件更容易受到环境因素的影响。

王焕婷教授对技术发展前景保持乐观态度："如果我们能够设计出像MOF这样只有几纳米厚的功能性材料，我们就可以制造出先进的流体芯片，以补充甚至克服当今电子芯片的一些局限性。"

计算技术演进的新里程碑

纳米流体芯片的成功开发代表了计算技术发展史上的一个重要里程碑。从机械计算机到电子计算机，再到今天的纳米流体计算系统，每一次技术革新都为人类带来了新的计算能力和应用可能性。

这项技术的意义不仅在于其技术创新，更在于它为解决当前计算机技术面临的根本性挑战提供了新思路。随着摩尔定律逐渐接近物理极限，传统的硅基电子器件在性能提升方面遇到了越来越多的困难。纳米流体技术的出现为继续推进计算能力的发展开辟了全新路径。

从更广阔的视角来看，这项技术的成功也体现了跨学科研究的重要价值。该项目结合了材料科学、化学工程、物理学和计算机科学的知识，展现了多学科协作在推动前沿技术发展中的重要作用。

随着研究的深入进行和技术的不断完善，纳米流体芯片有望在未来几年内从实验室走向实际应用。这不仅将为计算机产业带来新的发展机遇，也将为人工智能、生物医学和其他技术领域的发展提供强有力的技术支撑。