用于仿生計算機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. 比勒菲爾德應用科學大學 工程與數(shù)學學院(德國)2. 西里西亞理工大學 物理研究所(波蘭)3. 科薩林理工大學 電子與信息學院(波蘭)

計算機的計算體系結構源于馮·諾依曼理論，其處理器和內存是分開的。對于每個算法的運算，數(shù)據(jù)都必須在這兩個位置之間來回傳輸，非?；ㄙM時間，被稱為馮·諾依曼瓶頸。在許多案例中，受仿生結構的啟發(fā)，如高效運行的人腦，數(shù)據(jù)可在緊密間隔的小區(qū)域間進行處理、存儲和傳輸。本項目是應用一種全新的方法為神經形態(tài)計算創(chuàng)建硬件，由德國大眾基金(Volkswagen Foundation)實驗項目資助。目前，在使用磁隧道元件和類似的現(xiàn)代設備開發(fā)新穎的仿生計算機結構方面已有研究，本項目將應用紡織領域的靜電紡絲技術研發(fā)仿生計算機的硬件。

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，也有各種無針的納米纖維制備技術，如使用旋轉滾輪作為接收電極。

本項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的“納米蜘蛛實驗室”(Nanospider Lab)制備。首先將聚丙烯腈(PAN， 質量分數(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分散40 min，溶解所有結塊。

圖1 “納米蜘蛛實驗室”的無針靜電紡

在靜電紡絲過程中，含有聚合物溶液的儲液器以穩(wěn)定的速度穿過底部導線。通過直徑為0.9 mm的噴嘴將聚合物溶液涂覆在導線上(圖1)。在導線與上方接地的導線之間施加80 kV的高電壓，將納米纖維拉到基體上(圖1藍色部分)。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內完成紡絲。

圖2是由細纖維和“珠”(珠狀增厚物)組成的納米纖維墊。如同人腦結構，數(shù)據(jù)可以在不同的結構中存儲、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

磁性納米纖維因具有磁性而受到廣泛研究。通常情況下，盡可能制備結構均勻的納米纖維以便進行試驗和仿真研究。

圖2表明，靜電紡納米纖維沿其長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排列問題。

準靜態(tài)磁化反轉示例如圖3所示，圖中抓取區(qū)域的邊緣長度為800 nm，磁場方向自左向右，用紅色表示；反之，用藍色表示。首先，對一小部分納米纖維墊施加從左到右的外磁場，從而使納米纖維內的所有磁矩(用箭頭表示)向右對齊[圖3a)]。當外場減小時，磁矩沿纖維排列更強，這在較厚的纖維中從上到下尤為明顯[圖3b)]。

圖3 磁化反轉過程的仿真

這種磁化反轉效應基于形狀各向異性，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)先沿納米纖維的長度方向排列。

將外磁場反轉，使其從右指向左，首先將較厚的纖維中的磁矩向前拖動，而側枝中的磁矩仍保持其各向異性[圖3c)]。當外加負磁場增強時，較薄纖維中的磁化強度出現(xiàn)逆轉，如圖3d)所示。

在計算機的大多數(shù)應用程序中，這種“隨機”行為(各向異性)對于可靠的應用程序非常不利?？煽康膽贸绦驅⒚總€操作都賦予了特定且良好的響應模式。但在神經形態(tài)計算領域這種隨機行為則具有潛在應用價值。

3 仿生計算程序和神經形態(tài)計算

人類大腦會接收各種各樣的信號，這些信號基本上可細分為短程的化學信號和遠距離的電信號。目前項目特別采用了磁信號。然而，由于炭化聚丙烯腈納米纖維墊可導電，因此整合電信號可行。

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

通過這種方式，可模仿人類大腦的另一個特性——改變相鄰細胞和突觸之間耦合強度的能力。另一個重要的觀點是一個數(shù)據(jù)的改變不是依靠一個單獨的強脈沖，而是一系列較弱的脈沖。兩個神經元之間的連接通常不是對稱的，且依賴于數(shù)據(jù)的傳輸方向。

在研究如何將特定任務的學習和訓練引入磁性納米纖維網絡(可能還包括導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 動態(tài)模擬

除上述準靜態(tài)模擬外，項目還進行了動態(tài)模擬研究。圖4最上方的圖形為彎曲的納米纖維，在其中間打開一個可旋轉磁場，其下方的圖形顯示了該纖維在磁場中的變化。紅色(藍色)區(qū)域表示磁化方向向右(左)，綠色區(qū)域表示垂直于磁場方向。該磁場在纖維中間確保有規(guī)律逆轉，則在彎曲納米纖維上將產生疇壁。如圖4所示，當纖維上部分磁化方向向左對齊(藍色表示)，其周圍區(qū)域磁化方向則向右對齊(紅色表示)，中間定會產生疇壁將二者分隔開(綠色表示)。

隨著時間的推移，這些疇壁被迫遠離中心，由于磁場旋轉，中心的磁化再次逆轉。需指出的是，圖4中磁化在中間永久疇壁的左側發(fā)生，右側的疇域則一次次地塌陷。據(jù)有關文獻報道，疇壁的這種行為向左還是向右發(fā)生，取決于其內部結構。

圖4 彎曲納米纖維疇壁的生成和運動

該簡例清晰地表明，通過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稱性破壞對于神經形態(tài)計算而言是一個有趣的問題。正如前文所述人類大腦的功能，在神經形態(tài)計算中，兩個神經元之間的方向依賴性連接非常有用。

5 結論和展望

本項目探討了將靜電紡磁性納米纖維墊應用于仿生計算機的可能性，并在模擬和試驗中進行了研究。靜電紡磁性納米纖維墊中不同直徑納米纖維的隨機排列及彎曲使該材料成為神經計算的潛在硬件。此外，該項目還開發(fā)了新的仿真工具，應用于納米纖維的磁化動力研究。

在項目的進一步研究過程中，將賦予納米纖維更多的物理和化學特性，為信號的傳輸創(chuàng)造更多的可能性。靜電紡磁性納米纖維墊將成為計算機仿生數(shù)據(jù)傳輸和存儲的基礎，為神經計算提供一種潛在的應用硬件。