如果能在物質(zhì)層次上直接實(shí)現(xiàn)計(jì)算需要，而不使用基于馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的集中式處理信息方式——將數(shù)據(jù)從內(nèi)存移到處理器再移回來(lái)，這樣一方面大大提高了計(jì)算速度，另一方面還省去了大量的功耗。

　　這是人工智能之后，智能物質(zhì)崛起的圖景。

　　近日，來(lái)自德國(guó)明斯特大學(xué)和荷蘭特文特大學(xué)的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在《自然》(Nature)雜志上發(fā)文《智能物質(zhì)崛起》對(duì)“智能物質(zhì)”進(jìn)行了概述，論文回顧分析了當(dāng)前業(yè)界利用分子系統(tǒng)、軟材料和固態(tài)材料等實(shí)現(xiàn)智能物質(zhì)的進(jìn)展，以及在軟機(jī)器人、自適應(yīng)人工皮膚和分布式神經(jīng)形態(tài)計(jì)算方面的實(shí)際應(yīng)用。以下為作者原文選摘。

　　什么是智能?

　　通常情況下，我們可以將智能理解為感知信息并將其轉(zhuǎn)化為知識(shí)儲(chǔ)備的能力，如此便可在不斷變化的環(huán)境中完成適應(yīng)性行為。研究人員認(rèn)為“智能”概念包含兩個(gè)主要特征：第一，學(xué)習(xí)能力;第二，適應(yīng)環(huán)境的能力。

　　
 

　　迄今為止，這兩種能力大多存在于生物體中。然而，即使這種我們?cè)谶@里稱之為智能的物質(zhì)沒(méi)有表現(xiàn)出與心理學(xué)意義上理解的智力相同的水平(包括，例如，認(rèn)知能力或語(yǔ)言能力)，它的功能也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)靜態(tài)物質(zhì)的屬性。

　　潛在應(yīng)用的例子包括，能夠自我調(diào)節(jié)溫度和吸光度的人造皮膚，根據(jù)穿著者的感覺(jué)可以變成保暖或降溫衣服的智能服裝，以及具有智能觸感的柔軟機(jī)器人。

　　然而，由于在高階人工智能應(yīng)用程序中需要處理大量的數(shù)據(jù)，以中心化的方式規(guī)范智能物質(zhì)的行為將非常具有挑戰(zhàn)性。特別是基于馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的集中信息處理將很快達(dá)到極限，其將數(shù)據(jù)從內(nèi)存轉(zhuǎn)移到處理器并返回不僅大大降低了計(jì)算速度，而且還需要大量的電力消耗。

　　因此，新的方法和計(jì)算模式需要直接在問(wèn)題一級(jí)實(shí)現(xiàn)，即允許對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行局部預(yù)處理。通過(guò)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，甚至從外界輸入的信息中學(xué)習(xí)。

　　對(duì)于智能物質(zhì)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，來(lái)自大自然的靈感非常有價(jià)值。天然物質(zhì)的宏觀功能來(lái)自復(fù)雜的內(nèi)部構(gòu)造，以及分子、納米尺度和宏觀尺度構(gòu)建塊的相互作用。而在人工物質(zhì)中，自下而上和自上而下方法的結(jié)合，可使得體系結(jié)構(gòu)具有各種新穎的特性和功能。

　　研究人員認(rèn)為，可以通過(guò)用分層的方式定義人工物質(zhì)的智能。比如，通過(guò)結(jié)合四個(gè)關(guān)鍵功能元件來(lái)實(shí)現(xiàn)智能物質(zhì)：(1)傳感器與環(huán)境交互并接收輸入和反饋;(2)執(zhí)行器對(duì)輸入信號(hào)做出響應(yīng)并調(diào)整材料的性能;(3) 用于長(zhǎng)期存儲(chǔ)信息的存儲(chǔ)器;(4)用于處理反饋的通信網(wǎng)絡(luò)。

　　理想情況下，這些元素可形成功能性的處理連續(xù)體，它不需要集中的處理單元，而是提供本地和分布式的信息處理能力。

　　
 

　　從結(jié)構(gòu)到功能和復(fù)雜性日益增加的智能物質(zhì)的概念轉(zhuǎn)換：合成后不能改變其性質(zhì)，如純硅;光響應(yīng)記憶合成材料向日葵環(huán)境自適應(yīng)的打開(kāi)和關(guān)閉;章魚的觸手，帶有嵌入式傳感器、執(zhí)行器和神經(jīng)系統(tǒng)(來(lái)源：Nature)

　　最基本的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，它可能包含高度復(fù)雜但靜態(tài)的結(jié)構(gòu)，在合成后不能改變其性質(zhì)。而反應(yīng)性物質(zhì)能夠改變其特性(形狀、顏色、硬度等)，以響應(yīng)外部刺激，如光、電流或力。

　　目前，科學(xué)家們正在推進(jìn)從反應(yīng)性物質(zhì)到適應(yīng)性物質(zhì)的發(fā)展。適應(yīng)性物質(zhì)具有處理內(nèi)外部反饋的固有能力，可對(duì)不同的環(huán)境和刺激做出反應(yīng)，這一定義與“類生命材料”異曲同工，即受生物和生命物質(zhì)啟發(fā)的合成材料。

　　超越適應(yīng)性物質(zhì)之后，最終必將推動(dòng)智能物質(zhì)的發(fā)展。智能物質(zhì)可以與環(huán)境互動(dòng)，從輸入數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)，并自我進(jìn)化。學(xué)習(xí)是由一種固有的記憶功能所支持的，即獲得的知識(shí)或技能被長(zhǎng)期存儲(chǔ)為經(jīng)驗(yàn)，并可以回憶起來(lái)產(chǎn)生未來(lái)的行為。因此，智能物質(zhì)包括了所有四個(gè)功能要素(傳感器、執(zhí)行器、網(wǎng)絡(luò)和長(zhǎng)期記憶)，并能顯示出最高水平的復(fù)雜性和功能性。

　　
 

　　那么智能物質(zhì)的發(fā)展軌跡是什么?由此出發(fā)，智能物質(zhì)近期發(fā)展的可能趨勢(shì)會(huì)是什么樣的?研究人員做了如下解答。

　　第一種，基于群集的自組織材料(如納米粒子組裝體、分子材料)。

　　復(fù)雜行為的一種突出形式，就是依賴于群體或群體中大量個(gè)體的集體互動(dòng)。在這樣的系統(tǒng)中，多個(gè)單獨(dú)響應(yīng)的實(shí)體會(huì)以一種特殊的方式自組織和通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的適應(yīng)性現(xiàn)象。自然界中，這種行為通常在昆蟲群落、魚群、鳥類甚至哺乳動(dòng)物種群中可以觀察到。

　　基于這種理念，在微觀尺度上思考智能物質(zhì)的實(shí)現(xiàn)尤其有趣。例如，集群機(jī)器人，一大群小機(jī)器人相互作用，每個(gè)小機(jī)器人大約一厘米高，能力有限，但它們可以排列出復(fù)雜的、預(yù)定義的形狀。

　　
 

　　自主機(jī)器人的自適應(yīng)群體行為和膠體簇(來(lái)源：Nature)

　　當(dāng)考慮到納米尺度上的群體行為時(shí)，類似的邏輯仍然可用，例如納米粒子組裝體，在自組裝材料系統(tǒng)中，弱耦合和高動(dòng)態(tài)組分之間的局部通信以粒子的形式發(fā)生粒子相互作用。

　　基于鏈形成、結(jié)構(gòu)納米顆粒之間的排斥流體和吸引磁相互作用，并根據(jù)初始形狀，微群可以執(zhí)行可逆各向異性變形、具有高模式穩(wěn)定性的受控分裂和合并以及導(dǎo)航運(yùn)動(dòng)，但這些形狀自適應(yīng)依賴于外部程序員的輸入、磁場(chǎng)控制等，因此粒子本身不會(huì)顯示出智能行為。

　　適應(yīng)性行為也在合成分子系統(tǒng)中被發(fā)現(xiàn)，反饋來(lái)自反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和耦合分子間的相互作用。此外，有關(guān)自我復(fù)制分子大小的信息傳遞是可以觀察到的，從祖先到后代的復(fù)制子，這種行為與生物學(xué)中的規(guī)范有些相似。

　　然而，這類物質(zhì)中缺乏記憶，這使得物質(zhì)沒(méi)有從過(guò)去事件中學(xué)習(xí)的能力。

　　第二種，軟物質(zhì)的實(shí)現(xiàn)(如反應(yīng)性軟物質(zhì)、嵌入內(nèi)存的軟物質(zhì)、適應(yīng)性軟物質(zhì))。

　　在生物系統(tǒng)中，柔軟性、彈性和柔順性是顯著的特征，軟體動(dòng)物能夠在擁擠的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)連續(xù)變形，天然皮膚也表現(xiàn)出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(jué)、觸覺(jué)記憶乃至自愈能力。

　　軟機(jī)器人領(lǐng)域的目標(biāo)就是將這些特性轉(zhuǎn)化為軟物質(zhì)實(shí)現(xiàn)。軟體機(jī)器人能夠通過(guò)調(diào)整形狀、抓地力和觸覺(jué)來(lái)模擬生物運(yùn)動(dòng)。與剛性材料相比，由于材料的符合性匹配，當(dāng)它們與人類或其他易碎物體接觸時(shí)，傷害風(fēng)險(xiǎn)大大降低。

　　軟物質(zhì)包含反應(yīng)性軟物質(zhì)，最常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)是形狀和柔軟度隨輸入的變化。

　　一個(gè)典型例子是由硅橡膠基質(zhì)組成的自給式人工肌肉，其驅(qū)動(dòng)依賴于液體嵌入乙醇微氣泡加熱時(shí)的汽相轉(zhuǎn)變，這種反應(yīng)靈敏的人工肌肉能夠反復(fù)舉起6公斤以上的重量。

　　
 

　　響應(yīng)軟物質(zhì)和軟物質(zhì)嵌入記憶功能(來(lái)源：Nature)

　　另一個(gè)案例是基于DNA雜交誘導(dǎo)的雙交聯(lián)響應(yīng)性水凝膠，在外部DNA觸發(fā)器的幫助下，通過(guò)局部控制材料的體積收縮來(lái)模仿人手的手勢(shì)。還有利用摩擦電效應(yīng)研發(fā)的人造皮膚，可以主動(dòng)感知被觸摸物體的接近、接觸、壓力和濕度，而無(wú)需外部電源，皮膚可自主產(chǎn)生電響應(yīng)。

　　還有科學(xué)家利用陽(yáng)離子和陰離子選擇性水凝膠膜的微型聚丙烯酰胺水凝膠室之間的離子梯度，制造出“人工鰻魚”，采用可伸縮的堆疊或折疊幾何結(jié)構(gòu)，在同時(shí)激活數(shù)千個(gè)串聯(lián)凝膠室后產(chǎn)生110V電壓，不同于典型的電池，這些系統(tǒng)具備柔軟、靈活、透明和潛在的生物相容性。

　　嵌入內(nèi)存的軟物質(zhì)，這一類功能性軟物質(zhì)結(jié)合了物質(zhì)記憶和感知能力。有科學(xué)家在一種機(jī)械雜化材料中已驗(yàn)證這一概念，其中電阻開(kāi)關(guān)器件作為剛性聚合光刻膠(SU-8)島上的存儲(chǔ)元件，該島嵌入可拉伸聚二甲基硅氧烷(PDMS)中，在聚二甲基硅氧烷上蒸發(fā)的金薄膜中的微裂紋同時(shí)起著電極和應(yīng)力傳感器的作用，這種運(yùn)動(dòng)記憶裝置允許基于應(yīng)力的變化和隨后的信息存儲(chǔ)來(lái)檢測(cè)人類的四肢運(yùn)動(dòng)。

　　此外，自愈也是軟物質(zhì)的一種重要特性，允許材料在受到干擾/彎折后迅速恢復(fù)其原始特性，這也是消除過(guò)去創(chuàng)傷記憶的一種方法，有科學(xué)團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種有機(jī)薄膜晶體管，這種晶體管是由可拉伸的半導(dǎo)體聚合物制成，即使在移動(dòng)的人體肢體上折疊、扭曲和拉伸也能正常工作，且這種聚合物在特殊溶劑和熱處理后能夠自我修復(fù)。

　　信息處理通常還涉及計(jì)數(shù)，這需要一個(gè)感知能力以及一個(gè)存儲(chǔ)最新值的存儲(chǔ)單元，有科研團(tuán)隊(duì)提出了一種基于后續(xù)生化反應(yīng)計(jì)算物質(zhì)的設(shè)計(jì)概念，可根據(jù)檢測(cè)到的光脈沖數(shù)，通過(guò)釋放特定的輸出分子或酶來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)際的計(jì)數(shù)過(guò)程。

　　適應(yīng)性軟物質(zhì)除了傳感和驅(qū)動(dòng)之外，還包括精確定制的化學(xué)機(jī)械反饋回路。自適應(yīng)軟物質(zhì)的一個(gè)實(shí)現(xiàn)方法就是有科學(xué)家提出的自主粒子運(yùn)動(dòng)模型系統(tǒng)，它包含了傳感和驅(qū)動(dòng)的優(yōu)雅組合，并通過(guò)反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)耦合，例如有一種材料可調(diào)節(jié)囊內(nèi)氧氣泡的生長(zhǎng)和收縮，從而導(dǎo)致有效浮力的對(duì)抗性調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)膠體在水中的酶驅(qū)動(dòng)振蕩垂直運(yùn)動(dòng)。

　　第三種，固態(tài)物質(zhì)實(shí)現(xiàn)(如神經(jīng)形態(tài)材料、分布式神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng))。

　　目前，固態(tài)材料的信息處理技術(shù)要先進(jìn)得多，例如傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)核心是由物理設(shè)備(如芯片晶體管)構(gòu)建的。非傳統(tǒng)計(jì)算超越了標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算模型，特別是生物，可以被認(rèn)為是非傳統(tǒng)的計(jì)算系統(tǒng)。

　　可編程和高度互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)特別適合執(zhí)行計(jì)算任務(wù)，而大腦啟發(fā)或神經(jīng)形態(tài)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，使用成熟的半導(dǎo)體材料，使神經(jīng)形態(tài)硬件(例如Google的張量處理單元)得以實(shí)現(xiàn)，但利用納米材料的自下而上方法，可能為非常規(guī)、高效計(jì)算提供新途徑。

　　研究人員認(rèn)為，結(jié)合上述各類物質(zhì)的實(shí)現(xiàn)路徑，混合方法可能會(huì)最終導(dǎo)致智能物質(zhì)的實(shí)現(xiàn)。

　　如用相變材料模擬神經(jīng)形態(tài)計(jì)算系統(tǒng)，已經(jīng)成為腦啟發(fā)或神經(jīng)形態(tài)硬件的關(guān)鍵促成因素，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，利用它們通過(guò)焦耳加熱在非晶態(tài)或晶態(tài)下的可編程性來(lái)實(shí)現(xiàn)快速、可訪問(wèn)的室溫非易失性存儲(chǔ)器功能。

　　相變材料的記憶行為進(jìn)一步使得其適合于大腦啟發(fā)的計(jì)算，其中它們通常體現(xiàn)了突觸權(quán)重或非線性激活功能。此外，二維(2D)材料，例如石墨烯、二硫化鉬、二硒化鎢或六角氮化硼，也出現(xiàn)在神經(jīng)形態(tài)器件的實(shí)驗(yàn)中，從而允許設(shè)計(jì)緊湊的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

　　最近的一項(xiàng)研究表明，可以在77K溫度下對(duì)硅中硼摻雜原子的無(wú)序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行非線性分類和特征提取。另有多項(xiàng)研究結(jié)果表明，利用納米電子器件的深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，可以通過(guò)梯度下降的方法對(duì)器件進(jìn)行有效的調(diào)整，從而完成各種分類任務(wù)，而不是通過(guò)人工進(jìn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。

　　
 

　　神經(jīng)形態(tài)材料和系統(tǒng)(來(lái)源：Nature)

　　這些工作揭示了利用物質(zhì)固有的物理性質(zhì)在納米尺度上可實(shí)現(xiàn)高效計(jì)算的潛力。

　　值得關(guān)注的是，在神經(jīng)形態(tài)系統(tǒng)中，信息處理和記憶是共局部化的，這與傳統(tǒng)的馮諾依曼結(jié)構(gòu)有著嚴(yán)格的區(qū)別。有一項(xiàng)研究是光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，因?yàn)楣獗旧砜梢酝ㄟ^(guò)與物質(zhì)相互作用或干擾自身來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而不需要預(yù)先定義路徑，此外，這種模型允許以光速(在介質(zhì)中)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并且與電子設(shè)備相比功耗極低。

　　當(dāng)光通過(guò)不同的衍射層傳播時(shí)，信息被同時(shí)處理，類似于人類皮膚中的數(shù)據(jù)在通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)傳輸?shù)酱竽X之前的預(yù)處理。

　　此外，研究人員還認(rèn)為，每一個(gè)物質(zhì)型儲(chǔ)層都有其自身的物理問(wèn)題，可以使用材料學(xué)習(xí)讓儲(chǔ)層從系統(tǒng)中浮現(xiàn)出來(lái)，而不是將材料基質(zhì)設(shè)計(jì)成一個(gè)好的儲(chǔ)層。

　　對(duì)于智能物質(zhì)的未來(lái)發(fā)展，研究人員認(rèn)為難點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)制造、放大和控制智能物質(zhì)的有效方法。

　　智能物質(zhì)必須包含具有相當(dāng)程度的共焦自由度、遷移率和納米級(jí)成分交換的動(dòng)態(tài)材料。這意味著納米級(jí)組件之間的相互作用必須足夠弱，才能被外部刺激操縱。此外，這類物質(zhì)必須表現(xiàn)出納米級(jí)成分的某種程度的內(nèi)部組織，這樣才能嵌入反饋和長(zhǎng)期記憶元件，且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可能是矛盾的，而且可能不兼容。

　　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分別實(shí)現(xiàn)，研究人員們希望混合解決方案能夠解決不兼容的問(wèn)題。

　　那么解決方案如何設(shè)計(jì)呢?研究人員有一個(gè)設(shè)想。

　　首先，需要演示者和設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)開(kāi)發(fā)具有固有反饋路徑的自適應(yīng)物質(zhì)，通過(guò)集成納米級(jí)構(gòu)建塊，實(shí)現(xiàn)自組裝和自上向下制造的納米結(jié)構(gòu)的可重構(gòu)性和自適應(yīng)性;

　　然后，必須從能夠處理反饋的適應(yīng)性物質(zhì)開(kāi)始，發(fā)展到具有學(xué)習(xí)能力的物質(zhì)(“學(xué)習(xí)物質(zhì)”)。這些材料將通過(guò)嵌入式記憶功能、基于材料的學(xué)習(xí)算法和傳感接口來(lái)增強(qiáng);

　　另外，還需要從學(xué)習(xí)物質(zhì)發(fā)展為真正的智能物質(zhì)，通過(guò)感官接口接收來(lái)自環(huán)境的輸入，通過(guò)嵌入式記憶和人工網(wǎng)絡(luò)顯示所需的響應(yīng)，并通過(guò)嵌入式傳感器對(duì)外部刺激作出響應(yīng)。

　　因此，智能物質(zhì)的發(fā)展將需要協(xié)調(diào)一致、跨學(xué)科和長(zhǎng)期的研究努力。

　　最終，考慮到整體性能是組件和連接的集體響應(yīng)，那么完整的系統(tǒng)級(jí)演示對(duì)于加快智能物質(zhì)的使用是必要的。智能物質(zhì)的各種各樣的技術(shù)應(yīng)用可以預(yù)見(jiàn)，其中尤為具有吸引力的是與現(xiàn)有的AI和神經(jīng)形態(tài)硬件的協(xié)同集成。在這方面，在生命科學(xué)和生物控制論中的應(yīng)用也需要生物相容的實(shí)現(xiàn)。