用于仿生計(jì)算機(jī)的靜電紡多功能納米纖維非織造布

C. D?pke， T. Grothe， M. Kl?cker， A. Ehrmann， T. Blachowicz， P. Steblinski

1. 比勒菲爾德應(yīng)用科學(xué)大學(xué) 工程與數(shù)學(xué)學(xué)院(德國(guó))2. 西里西亞理工大學(xué) 物理研究所(波蘭)3. 科薩林理工大學(xué) 電子與信息學(xué)院(波蘭)

計(jì)算機(jī)的計(jì)算體系結(jié)構(gòu)源于馮·諾依曼理論，其處理器和內(nèi)存是分開(kāi)的。對(duì)于每個(gè)算法的運(yùn)算，數(shù)據(jù)都必須在這兩個(gè)位置之間來(lái)回傳輸，非常花費(fèi)時(shí)間，被稱為馮·諾依曼瓶頸。在許多案例中，受仿生結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，如高效運(yùn)行的人腦，數(shù)據(jù)可在緊密間隔的小區(qū)域間進(jìn)行處理、存儲(chǔ)和傳輸。本項(xiàng)目是應(yīng)用一種全新的方法為神經(jīng)形態(tài)計(jì)算創(chuàng)建硬件，由德國(guó)大眾基金(Volkswagen Foundation)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資助。目前，在使用磁隧道元件和類似的現(xiàn)代設(shè)備開(kāi)發(fā)新穎的仿生計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)方面已有研究，本項(xiàng)目將應(yīng)用紡織領(lǐng)域的靜電紡絲技術(shù)研發(fā)仿生計(jì)算機(jī)的硬件。

1 靜電紡的磁性納米纖維墊

靜電紡絲制備的納米纖維直徑通常在幾十到幾百納米之間，所使用的原材料直徑可達(dá)幾微米。在基于針頭噴射的制備方法中，聚合物溶液或熔體由針頭噴出。針頭和溶液接收器電極之間施加10～20 kV的高電壓。因此，聚合物溶液在接收器電極方向加速，經(jīng)拉伸和溶劑揮發(fā)，納米纖維纏繞并沉積在接收器電極上。除此常用方法外，也有各種無(wú)針的納米纖維制備技術(shù)，如使用旋轉(zhuǎn)滾輪作為接收電極。

本項(xiàng)目的納米纖維墊采用基于線制作的工藝(圖1)，于捷克利貝雷茨大學(xué)的“納米蜘蛛實(shí)驗(yàn)室”(Nanospider Lab)制備。首先將聚丙烯腈(PAN， 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%)溶于二甲基亞砜(DMSO)中，然后加入不同數(shù)量的磁性納米顆粒(Fe3O4，也稱為磁鐵礦；Fe2O3/NiO，也稱為二鐵四氧化鎳)制備磁性納米纖維墊。所有紡絲溶液在未加入磁性納米顆粒的情況下先攪拌2 h，然后加入磁性納米顆粒，手工攪拌，之后在超聲波中震動(dòng)分散40 min，溶解所有結(jié)塊。

圖1 “納米蜘蛛實(shí)驗(yàn)室”的無(wú)針靜電紡

在靜電紡絲過(guò)程中，含有聚合物溶液的儲(chǔ)液器以穩(wěn)定的速度穿過(guò)底部導(dǎo)線。通過(guò)直徑為0.9 mm的噴嘴將聚合物溶液涂覆在導(dǎo)線上(圖1)。在導(dǎo)線與上方接地的導(dǎo)線之間施加80 kV的高電壓，將納米纖維拉到基體上(圖1藍(lán)色部分)。高電壓電極與基體之間的距離為240 mm，紡絲室溫度為22 ℃，濕度為32%。通常，5 mL的聚合物溶液可在約13 min內(nèi)完成紡絲。

圖2是由細(xì)纖維和“珠”(珠狀增厚物)組成的納米纖維墊。如同人腦結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)可以在不同的結(jié)構(gòu)中存儲(chǔ)、傳輸和處理。

圖2 含納米纖維與“珠”的納米纖維墊

2 不規(guī)則納米纖維的磁化反轉(zhuǎn)

磁性納米纖維因具有磁性而受到廣泛研究。通常情況下，盡可能制備結(jié)構(gòu)均勻的納米纖維以便進(jìn)行試驗(yàn)和仿真研究。

圖2表明，靜電紡納米纖維沿其長(zhǎng)度方向既不順直也不均勻。已有研究表明，在納米纖維頻繁的彎折處其磁性能明顯改變。然而，若想了解納米纖維非織造布的磁性能，還必須考慮不同直徑納米纖維的隨機(jī)排列問(wèn)題。

準(zhǔn)靜態(tài)磁化反轉(zhuǎn)示例如圖3所示，圖中抓取區(qū)域的邊緣長(zhǎng)度為800 nm，磁場(chǎng)方向自左向右，用紅色表示；反之，用藍(lán)色表示。首先，對(duì)一小部分納米纖維墊施加從左到右的外磁場(chǎng)，從而使納米纖維內(nèi)的所有磁矩(用箭頭表示)向右對(duì)齊[圖3a)]。當(dāng)外場(chǎng)減小時(shí)，磁矩沿纖維排列更強(qiáng)，這在較厚的纖維中從上到下尤為明顯[圖3b)]。

圖3 磁化反轉(zhuǎn)過(guò)程的仿真

這種磁化反轉(zhuǎn)效應(yīng)基于形狀各向異性，類似于針只能沿其軸向磁化，而不能在其垂直方向磁化，這里的磁矩也優(yōu)先沿納米纖維的長(zhǎng)度方向排列。

將外磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)，使其從右指向左，首先將較厚的纖維中的磁矩向前拖動(dòng)，而側(cè)枝中的磁矩仍保持其各向異性[圖3c)]。當(dāng)外加負(fù)磁場(chǎng)增強(qiáng)時(shí)，較薄纖維中的磁化強(qiáng)度出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)，如圖3d)所示。

在計(jì)算機(jī)的大多數(shù)應(yīng)用程序中，這種“隨機(jī)”行為(各向異性)對(duì)于可靠的應(yīng)用程序非常不利。可靠的應(yīng)用程序?qū)⒚總€(gè)操作都賦予了特定且良好的響應(yīng)模式。但在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算領(lǐng)域這種隨機(jī)行為則具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

3 仿生計(jì)算程序和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算

人類大腦會(huì)接收各種各樣的信號(hào)，這些信號(hào)基本上可細(xì)分為短程的化學(xué)信號(hào)和遠(yuǎn)距離的電信號(hào)。目前項(xiàng)目特別采用了磁信號(hào)。然而，由于炭化聚丙烯腈納米纖維墊可導(dǎo)電，因此整合電信號(hào)可行。

在紡絲溶液中加入其他聚合物或無(wú)機(jī)材料也可產(chǎn)生額外的功能，以增加可能的短程相互作用。

通過(guò)這種方式，可模仿人類大腦的另一個(gè)特性——改變相鄰細(xì)胞和突觸之間耦合強(qiáng)度的能力。另一個(gè)重要的觀點(diǎn)是一個(gè)數(shù)據(jù)的改變不是依靠一個(gè)單獨(dú)的強(qiáng)脈沖，而是一系列較弱的脈沖。兩個(gè)神經(jīng)元之間的連接通常不是對(duì)稱的，且依賴于數(shù)據(jù)的傳輸方向。

在研究如何將特定任務(wù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練引入磁性納米纖維網(wǎng)絡(luò)(可能還包括導(dǎo)電或多功能納米纖維)之前，首先有必要研究如何在這些納米纖維中傳輸數(shù)據(jù)。

4 動(dòng)態(tài)模擬

除上述準(zhǔn)靜態(tài)模擬外，項(xiàng)目還進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬研究。圖4最上方的圖形為彎曲的納米纖維，在其中間打開(kāi)一個(gè)可旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，其下方的圖形顯示了該纖維在磁場(chǎng)中的變化。紅色(藍(lán)色)區(qū)域表示磁化方向向右(左)，綠色區(qū)域表示垂直于磁場(chǎng)方向。該磁場(chǎng)在纖維中間確保有規(guī)律逆轉(zhuǎn)，則在彎曲納米纖維上將產(chǎn)生疇壁。如圖4所示，當(dāng)纖維上部分磁化方向向左對(duì)齊(藍(lán)色表示)，其周圍區(qū)域磁化方向則向右對(duì)齊(紅色表示)，中間定會(huì)產(chǎn)生疇壁將二者分隔開(kāi)(綠色表示)。

隨著時(shí)間的推移，這些疇壁被迫遠(yuǎn)離中心，由于磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)，中心的磁化再次逆轉(zhuǎn)。需指出的是，圖4中磁化在中間永久疇壁的左側(cè)發(fā)生，右側(cè)的疇域則一次次地塌陷。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，疇壁的這種行為向左還是向右發(fā)生，取決于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖4 彎曲納米纖維疇壁的生成和運(yùn)動(dòng)

該簡(jiǎn)例清晰地表明，通過(guò)納米纖維墊傳輸信息并不容易。但另一方面，由納米纖維彎曲引起的對(duì)稱性破壞對(duì)于神經(jīng)形態(tài)計(jì)算而言是一個(gè)有趣的問(wèn)題。正如前文所述人類大腦的功能，在神經(jīng)形態(tài)計(jì)算中，兩個(gè)神經(jīng)元之間的方向依賴性連接非常有用。

5 結(jié)論和展望

本項(xiàng)目探討了將靜電紡磁性納米纖維墊應(yīng)用于仿生計(jì)算機(jī)的可能性，并在模擬和試驗(yàn)中進(jìn)行了研究。靜電紡磁性納米纖維墊中不同直徑納米纖維的隨機(jī)排列及彎曲使該材料成為神經(jīng)計(jì)算的潛在硬件。此外，該項(xiàng)目還開(kāi)發(fā)了新的仿真工具，應(yīng)用于納米纖維的磁化動(dòng)力研究。

在項(xiàng)目的進(jìn)一步研究過(guò)程中，將賦予納米纖維更多的物理和化學(xué)特性，為信號(hào)的傳輸創(chuàng)造更多的可能性。靜電紡磁性納米纖維墊將成為計(jì)算機(jī)仿生數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)的基礎(chǔ)，為神經(jīng)計(jì)算提供一種潛在的應(yīng)用硬件。