近年来,人工神经元和生物电子学的交叉研究进入快速发展阶段。2025年,马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究团队公布了他们使用来自产电细菌Geobacter sulfurreducens的蛋白纳米线构建的首个低电压人工神经元,该成果发表于Nature Communications。该项工作由研究生傅帅(Shuai Fu)领衔,姚骏(Jun Yao)教授为通讯作者。研究显示,基于蛋白纳米线的人工神经元能在约0.1伏的低电压下工作,电压幅度与人体神经元接近,并且显著降低了功耗与信号放大需求,为直接与活体神经细胞通信打开了新的可能性。 生物神经元与传统电子器件的能耗差异长期是生物启发计算领域的核心难题。人脑以约20瓦的功率处理复杂任务,而当前大型语言模型和数据中心的能耗常常远超这一水平。
传统的人工神经元或神经形态元件在工作电压与功耗上仍与生物系统存在数量级差距,限制了它们在可穿戴设备、植入式接口与与人体直接通信的应用。马大团队此次通过蛋白纳米线材料的引入,显著压低了工作电压,使得人工电路与生物电信号的电压尺度更为匹配,从而可以在降低电能消耗的同时减少对生物组织的干扰。 蛋白纳米线的来源与特性是该成果的核心。Geobacter sulfurreducens是一类能够在自然环境中传导电子的细菌,其合成的导电蛋白纤维被称为蛋白纳米线。与传统无机导体不同,蛋白纳米线具备优异的生物兼容性、柔性以及在低电位下的导电能力。姚骏团队此前已经在汗液驱动的生物薄膜、生物气味传感器和空气中能量收集装置等方向展示了蛋白纳米线的广泛应用潜力。
将其用于人工神经元,则意味着可以在材料层面上实现与生物组织的自然衔接,从而减少电压转换和信号放大等繁琐步骤。 在功能上,这类人工神经元能够模拟生物神经元的电学特性,包括动作电位的触发阈值、脉冲传递与信号整合等。关键技术在于将蛋白纳米线制备成能够在极低电压下表现出非线性响应的电子元件,使其在输入达到一定阈值时产生脉冲输出,模拟生物神经元的"发放"行为。研究报告指出,新器件的触发电压约为0.1伏,远低于此前人工神经元通常使用的电压级别,而这正是实现与活体神经元直接接口的基础,因为生物神经元对过高电压敏感,过大的刺激容易引发损伤或异常反应。 这一突破带来的影响是多方面的。首先,在可穿戴设备和生物传感领域,若传感器能够原位以生物尺度的电压直接处理来自皮肤或组织的电信号,就可以省去传统的放大和复杂信号处理链路,整体功耗和体积将大幅降低。
想象一种智能贴片,它能在无需外部放大器的情况下读取心电、肌电或神经信号并作出实时响应,这将大幅提升可穿戴健康监测的便携性与续航能力。 其次,在脑机接口和神经修复方面,低电压人工神经元提供了一种更为温和的电学交互方式。现有的植入式电极往往需要放大器与高能电压驱动,长期使用可能对脑组织造成炎症或电化学副作用。若能用与生物神经电位尺度相近的人工神经元构建接口电路,则可望实现更稳定、更低损伤的长期连接,为神经假肢控制、帕金森症深部刺激优化和脊髓损伤修复等应用带来新选择。 第三,计算架构层面的潜力值得关注。当前以冯·诺依曼架构为主导的计算机在能效上受限于处理与存储分离的瓶颈。
生物神经网络通过高度并行和事件驱动的脉冲编码实现超高能效。基于蛋白纳米线的低电压人工神经元能够更自然地实施脉冲神经计算与类脑架构,有望催生新一代神经形态芯片与能效极高的人工智能硬件,尤其在边缘计算与低功耗物联网设备中具有明显优势。 尽管前景广阔,但从实验室样机走向实用产品仍存在多重挑战。材料稳定性与可重复性是基础问题。蛋白纳米线来源于生物合成,其批次间一致性、长期在体内或体外环境下的可靠性、以及在各种温度与湿度条件下的性能保持都需要系统评估。其次,生物兼容性与免疫反应的研究不可或缺。
即便蛋白纳米线本身具有较好相容性,将其封装进电子器件并与组织长期接触,仍可能引发复杂的免疫或炎症反应,需要开展长期体内实验与毒理学研究。 技术集成也是重要难点之一。将低电压人工神经元与传统数字处理单元、通讯模块和能量管理系统高效集成,需要在电路设计、系统架构与材料工程上进行创新。许多现有电子系统依赖标准电压轨道和接口协议,如何在不牺牲性能的前提下实现混合系统的协同,是工程实现的关键。此外,安全与伦理问题也需要同步跟进。尤其是在脑机接口或植入式设备的应用场景中,数据隐私、植入设备的可控性以及在人体上的长期影响都涉及伦理审查和法规制定。
研究团队表示,该项研究获得了美国陆军研究办公室、国家科学基金会、国立卫生研究院和阿尔弗雷德·斯隆基金会的支持。这些资助显示出跨学科研究和应用转换的高度关注,也为后续产业化奠定了资金与政策支持的基础。未来研究方向可能包括提升蛋白纳米线制备工艺以实现产业化规模,优化器件结构提升信号稳定性,开展更多体外与体内模型实验以评估长期相容性,以及探索与现有神经形态硬件的协同设计。 行业应用层面,可穿戴医疗、移动健康监测、柔性电子、环境能量采集与低功耗神经形态计算等都可能成为先行市场。医疗诊断方面,基于蛋白纳米线的电子鼻和灵敏的生物传感器已被证明有检测疾病的潜能,若结合低电压人工神经元,传感到决策的路径可以更紧凑、高效。移动设备和可穿戴设备制造商可能会利用这一技术延长电池寿命并减少对外部放大器的依赖,从而实现更舒适、更长时间佩戴的健康监测产品。
从基础科学角度看,将蛋白基导电材料与神经电子学结合,也为理解生物电信号的本质提供了新的实验平台。研究者可以在更接近生物电位尺度的人工电路上模拟神经回路的行为,研究突触可塑性、神经振荡与神经编码机制,从而为神经科学提供新的工具和思路。 总结来看,马萨诸塞大学阿默斯特分校团队利用Geobacter sulfurreducens蛋白纳米线构建的低电压人工神经元,是一项连接材料科学、生物电子学与神经工程的跨学科成果。其在能效、与生物组织直接接口的可能性以及在可穿戴与医疗领域的应用潜力方面具有显著优势。然而,要实现大规模应用仍需在材料稳定性、生物相容性、系统集成与伦理监管上克服挑战。未来数年内,该方向的研究将决定人工神经元能否真正成为下一代低功耗计算与生物接口技术的核心组成部分。
研究者、工程师与监管机构的协同将是推动这项技术从实验室走向临床与产业化的关键因素。 。
