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 摘要

受大腦能力和能源效率的啟發(fā)，人工智能 (AI) 正在加速非常規(guī)計(jì)算范式的發(fā)展。人腦尤其擅長計(jì)算密集型認(rèn)知任務(wù)，例如模式識別和分類。一個(gè)長期目標(biāo)是去中心化的神經(jīng)形態(tài)計(jì)算，依靠分布式核心網(wǎng)絡(luò)來模擬大腦的大規(guī)模并行性，從而嚴(yán)格遵循自然啟發(fā)的信息處理方法。

通過相互連接的計(jì)算塊逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的計(jì)算組織，可以預(yù)見具有智能基本特征的高級物質(zhì)形式的發(fā)展，能夠以非定域的方式學(xué)習(xí)和處理信息。這種智能物質(zhì)將通過接收和響應(yīng)外部刺激與環(huán)境相互作用，同時(shí)在內(nèi)部調(diào)整其結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)信息的分布和存儲（作為記憶）。明斯特大學(xué)W. H. P. Pernice教授團(tuán)隊(duì)回顧了使用分子系統(tǒng)、軟材料或固態(tài)材料實(shí)現(xiàn)智能物質(zhì)的進(jìn)展，涉及軟機(jī)器人技術(shù)、自適應(yīng)人工皮膚的開發(fā)和分布式神經(jīng)形態(tài)計(jì)算。相關(guān)論文以題為The rise of intelligent matter發(fā)表在《Nature》上。

圖文解析

智力可以理解為感知信息并將其保留為知識以應(yīng)用于不斷變化的環(huán)境中的適應(yīng)性行為的能力。盡管對智力沒有公認(rèn)的定義，但智力研究領(lǐng)域的相應(yīng)概念包含兩個(gè)主要特征：一是學(xué)習(xí)能力，二是適應(yīng)環(huán)境的能力。迄今為止，這兩種能力主要存在于生物體中。然而，隨著人工智能的普及，人們正在努力在日益復(fù)雜的系統(tǒng)中實(shí)施學(xué)習(xí)和適應(yīng)技能，這些系統(tǒng)共同集成了各種功能組件。超越這種功能架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)本身具有智能基本特征的合成物質(zhì)將構(gòu)成一個(gè)全新的人工智能概念。盡管這里稱之為智能的物質(zhì)并不表現(xiàn)出與心理學(xué)意義上所理解的相同水平的智能（例如，包括認(rèn)知或語言的能力），但它的功能將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出靜態(tài)物質(zhì)的特性.潛在應(yīng)用的鼓舞人心的例子包括自我調(diào)節(jié)溫度和吸光度的人造皮膚、根據(jù)穿著者的感覺變成保暖或涼爽服裝的智能服裝，以及具有智能觸覺的軟機(jī)器人。然而，由于高級人工智能應(yīng)用需要處理大量數(shù)據(jù)，以集中方式調(diào)節(jié)智能物質(zhì)的行為將非常具有挑戰(zhàn)性。特別是，使用基于馮諾依曼架構(gòu)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行集中信息處理將很快達(dá)到其極限。這是因?yàn)閷?shù)據(jù)從內(nèi)存混洗到處理器并返回不僅大大降低了計(jì)算速度，而且還需要大量的功耗。因此，需要在物質(zhì)層面直接實(shí)施新的方法和計(jì)算范式，從而允許使用例如內(nèi)存計(jì)算對數(shù)據(jù)進(jìn)行本地預(yù)處理。通過這種方式，智能物質(zhì)本身可以與環(huán)境相互作用，自我調(diào)節(jié)其行為，甚至從它接收到的輸入中學(xué)習(xí)。

對于智能物質(zhì)的設(shè)計(jì)，來自大自然的靈感是有益的：自下而上的組裝是大自然實(shí)現(xiàn)材料特性的方式，其性能優(yōu)于其單個(gè)組成單元的特性。自然物質(zhì)的宏觀功能來自復(fù)雜的設(shè)計(jì)主題以及分子、納米尺度和宏觀尺度構(gòu)建塊的相互作用。在人造物質(zhì)中，自下而上和自上而下方法的結(jié)合使架構(gòu)具有各種新穎的特性和功能。可以使用增加功能性和復(fù)雜性的概念以分層方式定義人造物質(zhì)的智能，如圖 1 所示。這種形式的智能可以通過組合四個(gè)關(guān)鍵功能元素在物質(zhì)層面實(shí)現(xiàn) ：（1）傳感器與環(huán)境交互并接收輸入和反饋；(2) 致動(dòng)器響應(yīng)輸入信號并適應(yīng)材料的特性；(3) 用于長期存儲信息的記憶和 (4) 處理反饋的通信網(wǎng)絡(luò)。理想情況下，這些元素形成功能處理連續(xù)體，不需要集中處理單元，而是提供本地和分布式信息處理的能力。

圖 1：隨著功能和復(fù)雜性的增加，從結(jié)構(gòu)物質(zhì)到智能物質(zhì)的概念轉(zhuǎn)變，以及相應(yīng)的例子。

基于 Swarm 的自組織材料

復(fù)雜行為的一種突出形式依賴于成群結(jié)隊(duì)的大量個(gè)體代理的集體互動(dòng)。在這里，多個(gè)單獨(dú)響應(yīng)的實(shí)體可以以這樣一種方式自組織，從而出現(xiàn)大規(guī)模的適應(yīng)性現(xiàn)象，例如，保護(hù)集體的模式形成。在自然界中，這種行為在昆蟲群落、魚群、鳥類甚至哺乳動(dòng)物中都有觀察到。集體的全球反應(yīng)通常被認(rèn)為表現(xiàn)出智能行為的特征，并且通常超出了單個(gè)元素的能力，這些元素只與最近的鄰居進(jìn)行通信。因此，各個(gè)代理的動(dòng)作以分散的方式進(jìn)行協(xié)調(diào)。當(dāng)使用在納米尺度上實(shí)現(xiàn)的構(gòu)建塊時(shí)，這種基本智能的概念對于實(shí)現(xiàn)智能物質(zhì)特別有趣。然而，在這樣的長度尺度上，將所有四個(gè)關(guān)鍵功能元素——特別是長期記憶——整合為單個(gè)組件是具有挑戰(zhàn)性的。模擬群體行為的一個(gè)說明性示例是一大群小型機(jī)器人的交互，每個(gè)機(jī)器人高約一厘米，能力有限，可以排列成復(fù)雜的預(yù)定義形狀（圖 2a）。個(gè)體機(jī)器人是響應(yīng)式代理，僅遵循其編程的個(gè)體算法并僅與最近的鄰居進(jìn)行通信。但是，由于外部程序員預(yù)先定義了目標(biāo)形狀并以算法的形式給出指令，因此根據(jù)該定義，整個(gè)機(jī)器人組不是智能的，而是自適應(yīng)的。在考慮納米尺度上的群體行為時(shí)，類似的限制仍然存在，因此此類系統(tǒng)構(gòu)成了自適應(yīng)物質(zhì)的示例，如下所述。

圖 2：自主機(jī)器人和膠體集群的自適應(yīng)群行為。

軟物質(zhì)實(shí)現(xiàn)

在生物系統(tǒng)中，柔軟性、彈性和順應(yīng)性是顯著的特征，它們能夠持續(xù)變形，從而在擁擠的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。天然皮膚還表現(xiàn)出上述基本智能的顯著特性，包括力、壓力、形狀、質(zhì)地和溫度的觸覺、觸覺記憶和自愈能力。軟機(jī)器人領(lǐng)域旨在將這些特性轉(zhuǎn)化為軟物質(zhì)實(shí)現(xiàn)。軟機(jī)器人能夠通過調(diào)整其形狀、抓地力和觸覺來模擬生物運(yùn)動(dòng)。與剛性對應(yīng)物相比，由于材料的合規(guī)性匹配，當(dāng)它們與人類或其他易碎物體接觸時(shí)，傷害風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。以人造皮膚的形式，它可以進(jìn)一步為醫(yī)療保健和醫(yī)療應(yīng)用提供多種可能性。多功能可穿戴設(shè)備可以通過潛在的后續(xù)藥物輸送來監(jiān)測健康參數(shù)，可以設(shè)想通過在中風(fēng)后提供機(jī)械功或具有觸覺的假肢來輔助人類運(yùn)動(dòng)。盡管在軟物質(zhì)中完全集成所有四個(gè)關(guān)鍵功能元素仍然難以實(shí)現(xiàn)，但已經(jīng)報(bào)道了結(jié)合至少兩個(gè)功能元素的各種實(shí)現(xiàn)。

響應(yīng)式軟物質(zhì)

軟物質(zhì)可以通過傳感元件接收來自環(huán)境的輸入，并通過嵌入式執(zhí)行器提供直接響應(yīng)，這是將其歸類為響應(yīng)性物質(zhì)的基本要求。最常見的驅(qū)動(dòng)是形狀和柔軟度作為輸入函數(shù)的變化。一個(gè)例子是由有機(jī)硅彈性體基質(zhì)組成的自給式人造肌肉，其中的驅(qū)動(dòng)依賴于嵌入的乙醇微泡在加熱時(shí)的液-氣相變。這種反應(yīng)靈敏的人造肌肉能夠反復(fù)舉起超過 6 公斤的重量以及基于激動(dòng)劑-拮抗劑的骨架-手臂運(yùn)動(dòng)，并且可用于提升物體的軟抓手（圖 3a）。實(shí)現(xiàn)軟機(jī)器人宏觀機(jī)械操作的另一種方法是趙等人展示的基于 DNA 雜交誘導(dǎo)雙交聯(lián)的響應(yīng)性水凝膠 模擬人手的手勢，通過在外部 DNA 的幫助下局部控制材料的體積收縮觸發(fā)器。同樣，可 3D 打印的光響應(yīng)形狀記憶復(fù)合材料會(huì)根據(jù)光線改變其 3D 形式，并有望用于多種應(yīng)用，例如模仿向日葵的打開和關(guān)閉狀態(tài)。例如，所有三個(gè)示例都沒有展示網(wǎng)絡(luò)路徑，也沒有展示用于存儲有關(guān)致動(dòng)力過強(qiáng)或過弱的反饋信息的記憶元件。

圖 3：響應(yīng)式軟物質(zhì)和具有嵌入式存儲器功能的軟物質(zhì)。

特別是對于人造皮膚和多功能可穿戴設(shè)備，不受束縛的設(shè)備是必不可少的。因此，為傳感器、執(zhí)行器或存儲器提供所需電源的自供電能力對于設(shè)備的成功至關(guān)重要。使用嵌入式驅(qū)動(dòng)來響應(yīng)外部輸入來自發(fā)電是一種極具吸引力的方法。Lai 及其同事的一項(xiàng)有希望的嘗試?yán)昧四Σ岭娦?yīng)。它們的人造皮膚無需外部電源即可主動(dòng)感知接觸物體的接近度、接觸、壓力和濕度，并且皮膚會(huì)產(chǎn)生電流作為響應(yīng)（圖 3b）。Schroeder 等人的另一個(gè)引人注目的例子 44 使用仿生概念來發(fā)電，其靈感來自電鰻。作者在由陽離子和陰離子選擇性水凝膠膜的重復(fù)序列界定的微型聚丙烯酰胺水凝膠隔室之間使用離子梯度。“人造鰻魚”使用可擴(kuò)展的堆疊或折疊幾何結(jié)構(gòu)，在同時(shí)、自記錄的機(jī)械接觸激活數(shù)以千計(jì)的串聯(lián)凝膠隔室時(shí)產(chǎn)生 110 V 電壓。與典型的電池不同，這些系統(tǒng)柔軟、靈活、透明且具有潛在的生物相容性。

具有嵌入式存儲器的軟物質(zhì)

另一類功能性軟物質(zhì)將物質(zhì)內(nèi)記憶與傳感能力相結(jié)合。雖然由于缺乏網(wǎng)絡(luò)，此類物質(zhì)不會(huì)被歸類為自適應(yīng)物質(zhì)，但它超出了響應(yīng)能力。以下示例能夠接收來自環(huán)境的輸入并使用嵌入式存儲器元件根據(jù)輸入歷史記錄更改它們的響應(yīng)。一種有吸引力的方法在于將傳感器和存儲元件結(jié)合在柔軟而靈活的材料中，使它們能夠協(xié)同工作。 Liu 等人在機(jī)械混合材料中實(shí)現(xiàn)了這一概念（圖 3c），其中電阻開關(guān)器件充當(dāng)剛性聚合光刻膠 (SU-8) 島上的存儲元件，這些島嵌入可拉伸的聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 中。蒸發(fā)到 PDMS 上的金薄膜中的微裂紋同時(shí)充當(dāng)電極和應(yīng)力傳感器。將這種運(yùn)動(dòng)記憶設(shè)備連接到四肢關(guān)節(jié)，可以根據(jù)壓力變化和隨后的信息存儲來檢測人體運(yùn)動(dòng)。

可以調(diào)節(jié)以學(xué)習(xí)所需的新反應(yīng)的材料非常有前途。Zhang等人開發(fā)了一種能夠進(jìn)行聯(lián)想學(xué)習(xí)的水凝膠，這是最簡單的學(xué)習(xí)形式之一。在嵌入和最初隨機(jī)分布的水凝膠中，金納米粒子充當(dāng)記憶元件。最初，凝膠-溶膠轉(zhuǎn)變由加熱自然觸發(fā)，當(dāng)凝膠僅暴露于激光照射時(shí)不會(huì)發(fā)生。同時(shí)暴露于光和熱會(huì)引起光酸驅(qū)動(dòng)的 pH 值變化，進(jìn)而導(dǎo)致凝膠中的納米顆粒聚集，產(chǎn)生更高的吸光度，從而導(dǎo)致光照時(shí)溫度升高。因此，以前中性（無效果）的光刺激現(xiàn)在會(huì)導(dǎo)致凝膠熔化。在一項(xiàng)后續(xù)研究中，作者證明了光輻射與熱響應(yīng)液晶聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)固有的有效加熱刺激之間的關(guān)聯(lián)。執(zhí)行器通過彎曲對刺激做出響應(yīng)，從而允許微型機(jī)器人運(yùn)動(dòng)或關(guān)閉抓手（圖 3f）。如果使用不同的染料作為吸收記憶元件，甚至可以實(shí)現(xiàn)對各種顏色（波長）的輻射的選擇性響應(yīng)。在這種形式的材料中，對先前中性刺激的學(xué)習(xí)反應(yīng)僅限于一個(gè)刺激，它遵循與最初已知刺激相同的途徑。因此，行為是在有限的參數(shù)范圍內(nèi)通過算法編程的，并且不允許調(diào)節(jié)對任意輸入的響應(yīng)，這將構(gòu)成智能行為。

自適應(yīng)軟物質(zhì)

超越響應(yīng)示例到自適應(yīng)軟物質(zhì)，He 等人展示了一種創(chuàng)建自主穩(wěn)態(tài)材料的策略，除了傳感和驅(qū)動(dòng)之外，它還包括精確定制的化學(xué)-機(jī)械-化學(xué)反饋回路（即網(wǎng)絡(luò)）（圖 4a）。含有水凝膠支撐的、帶有催化劑的微結(jié)構(gòu)的雙層薄膜與含有反應(yīng)物的“營養(yǎng)”層分離。響應(yīng)溫度變化的凝膠重新配置誘導(dǎo)微結(jié)構(gòu)進(jìn)出營養(yǎng)層的可逆驅(qū)動(dòng)，并用作化學(xué)反應(yīng)的高精度開/關(guān)開關(guān)。利用營養(yǎng)層中的放熱催化反應(yīng)和溫度響應(yīng)凝膠的機(jī)械作用之間的連續(xù)反饋回路，形成了一個(gè)自主、自我維持的系統(tǒng)，將溫度保持在一個(gè)狹窄的范圍內(nèi)。

圖 4：具有穩(wěn)態(tài)特性和酶動(dòng)力運(yùn)動(dòng)的適應(yīng)性軟材料。

固態(tài)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)

雖然合成物質(zhì)中的傳感和驅(qū)動(dòng)可以使用自組織和軟材料顯著實(shí)現(xiàn)，但實(shí)現(xiàn)基于物質(zhì)的信息處理似乎更具挑戰(zhàn)性。相反，固態(tài)材料中的信息處理技術(shù)要先進(jìn)得多，這提供了有吸引力的機(jī)會(huì)。事實(shí)上，物理和化學(xué)過程本身可以被認(rèn)為是一種計(jì)算形式。盡管傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)是由物理設(shè)備（例如晶體管）構(gòu)建的，但它們基于計(jì)算的符號概念（即，電壓是低于還是高于某個(gè)閾值）。非常規(guī)計(jì)算超越了標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算模型。特別是生物體，可以被視為非常規(guī)的計(jì)算系統(tǒng)。仔細(xì)觀察自然產(chǎn)生的復(fù)雜有機(jī)體，可以發(fā)現(xiàn)信息處理的工作流程直接建立在物理原理上。因此，費(fèi)曼和后來的 Yoshihito 建議使用物質(zhì)本身進(jìn)行計(jì)算。正如費(fèi)曼所說：“為什么需要無窮無盡的邏輯才能弄清楚一小塊時(shí)空會(huì)做什么？”。可編程和高度互連的網(wǎng)絡(luò)特別適合執(zhí)行這些任務(wù)，而受大腦啟發(fā)或神經(jīng)形態(tài)的硬件旨在提供物理實(shí)現(xiàn)。盡管在半導(dǎo)體行業(yè)自上而下的制造中，使用已建立的（無機(jī)）材料，已經(jīng)啟用了神經(jīng)形態(tài)硬件（例如，IBM 的 TrueNorth 和谷歌的張量處理單元），但利用納米材料的自下而上的方法可能會(huì)提供通往非常規(guī)、高效計(jì)算的途徑。結(jié)合上述物質(zhì)實(shí)現(xiàn)，混合方法可能最終導(dǎo)致智能物質(zhì)的實(shí)現(xiàn)。

神經(jīng)形態(tài)材料

相變材料一直是大腦啟發(fā)或神經(jīng)形態(tài)硬件的關(guān)鍵推動(dòng)因素，允許在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)元和突觸。它們通過焦耳加熱在非晶態(tài)或結(jié)晶態(tài)的可編程性被用來實(shí)現(xiàn)快速、可訪問、室溫、非易失性存儲設(shè)備（圖 5a）。它們的憶阻行為——即兩相之間的連續(xù)轉(zhuǎn)變——以及結(jié)晶的累積變化，進(jìn)一步使相變材料適用于受大腦啟發(fā)的計(jì)算，它們通常包含突觸權(quán)重和/或非線性激活函數(shù)。電氣設(shè)備依賴于電阻對材料狀態(tài)的依賴性，并使用施加的電壓進(jìn)行開關(guān)和讀取。相比之下，在光子器件中，使用高功率密度光脈沖來調(diào)整結(jié)晶度，從而改變材料對光的吸收（圖 5b）。

圖 5：神經(jīng)形態(tài)材料和系統(tǒng)。

【總結(jié)】

未來的挑戰(zhàn)在于開發(fā)制造、升級和控制智能物質(zhì)的有效方法。智能物質(zhì)必須包含具有相當(dāng)程度的構(gòu)象自由度、移動(dòng)性和納米級成分交換的動(dòng)態(tài)材料。這意味著納米級組件之間的相互作用必須足夠弱才能被外部刺激操縱。而且，這種物質(zhì)必須表現(xiàn)出一定程度的納米級成分的內(nèi)部組織，這樣才能嵌入反饋和長期記憶。此外，為了充分接收和傳輸外部輸入，需要具有空間和時(shí)間精度的可尋址性。這些要求在很大程度上是相互矛盾的，并且可能不相容。顯然，智能物質(zhì)的關(guān)鍵元素更容易在不同的材料類型中單獨(dú)實(shí)現(xiàn)，這可能與其他材料不兼容。團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)將需要混合解決方案來解決不兼容性方面的挑戰(zhàn)。

顯然，這里強(qiáng)調(diào)的所有例子都沒有表現(xiàn)出感知信息、存儲信息并從中學(xué)習(xí)以表達(dá)適應(yīng)性行動(dòng)和行為的智能。那么，通往智能物質(zhì)的路線圖會(huì)是什么樣子呢？首先，將需要演示者和設(shè)計(jì)規(guī)則，通過集成納米級構(gòu)建塊來開發(fā)具有固有反饋途徑的自適應(yīng)物質(zhì)，這些構(gòu)建塊能夠?qū)崿F(xiàn)自組裝和自上而下制造的納米結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性和適應(yīng)性。其次，必須從可以處理反饋的自適應(yīng)物質(zhì)發(fā)展為具有學(xué)習(xí)能力的物質(zhì)（“學(xué)習(xí)物質(zhì)”）。這些材料將通過嵌入式存儲器功能、基于材料的學(xué)習(xí)算法和傳感接口來增強(qiáng)。第三，必須從學(xué)習(xí)物質(zhì)發(fā)展為真正的智能物質(zhì)，它通過感官接口接收來自環(huán)境的輸入，顯示出通過嵌入式記憶和人工網(wǎng)絡(luò)編碼的期望響應(yīng)，并且可以通過嵌入式傳感器對外部刺激做出響應(yīng)。因此，智能物質(zhì)的發(fā)展需要協(xié)同的、跨學(xué)科的和長期的研究工作。

最終，考慮到整體性能是組件和連接的集體反應(yīng)，需要完整的系統(tǒng)級演示來加快智能物質(zhì)的使用。可以預(yù)見智能物質(zhì)的各種技術(shù)應(yīng)用，與現(xiàn)有人工智能和神經(jīng)形態(tài)硬件的協(xié)同集成將特別有吸引力。在這方面，生命科學(xué)和生物控制論有機(jī)體中的應(yīng)用也需要生物兼容的實(shí)現(xiàn)。