根据发表在《自然·纳米技术》上的一项研究，西北大学的一个团队利用3D打印技术成功制造出能够产生电信号并激活活体脑细胞的人造神经元，这项成果有望推动生物电子医学和计算架构的发展。

这些由柔性低成本材料制成的设备产生的信号足够真实，能够触发从小鼠大脑中提取的组织样本的反应。研究由西北大学麦考密克工程学院材料科学与工程沃尔特·P·墨菲教授马克·C·赫萨姆（Mark C. Hersam）和研究副教授维诺德·K·桑万（Vinod K. Sangwan）共同领导。赫萨姆在对比传统计算与大脑时指出：「硅通过拥有数十亿个相同的器件来实现复杂性，所有器件都是一样的，一旦制造出来就刚性和固定。而大脑恰恰相反，它是异质的、动态的、三维的。要朝这个方向发展，我们需要新材料和构建电子设备的新方法。」

研究团队使用由纳米级二硫化钼（半导体）和石墨烯（电导体）薄片制成的电子墨水，通过一种称为气溶胶喷射3D打印的方法，将其沉积在柔性聚合物基底上。这一设计区别于以往人工神经元之处在于，团队选择利用而非消除的一个制造特性。此前的研究人员将墨水中的残留聚合物视为污染物并烧掉，而赫萨姆的团队仅部分将其去除。「我们没有完全去除聚合物，而是将其部分分解，」赫萨姆解释道。「然后，当我们通过电流时，我们进一步驱动聚合物的分解。这种分解以空间非均匀的方式发生，导致导电细丝的形成，从而将所有电流限制在空间的狭窄区域内。」这种局部化路径使每个器件能够产生多样化的信号模式——单个尖峰、持续放电和爆发序列——而不是早期人造神经元设计产生的简化脉冲。由于每个神经元自身可以编码更多信息，处理相同计算负载所需的元件总数大幅下降。

为了测试生物兼容性，团队与西北大学温伯格艺术与科学学院神经科学家因迪拉·M·拉曼（Indira M. Raman）合作，她的实验室将人工神经元的信号应用于小鼠小脑切片。人工脉冲在时序和形状上接近自然神经元信号，从而可靠地激活了组织中的神经回路。赫萨姆补充说：「其他实验室试图用有机材料制造人造神经元，但它们尖峰发射得太慢。或者他们使用金属氧化物，又太快了。我们处于一个此前人造神经元尚未展示过的时间范围内。你可以看到活体神经元对我们的神经元做出反应。因此，我们证明了信号不仅在正确的时间尺度上，而且具有正确的尖峰形状，能够直接与活体神经元相互作用。」

这项工作的更广泛背景是计算领域日益严重的功耗问题。如今训练大型AI模型需要数据中心消耗吉瓦级电力，有些设施甚至计划建造专用核电站。人脑的运行能效水平比传统数字计算机高出五个数量级。神经形态硬件，即从生物神经架构中汲取结构和功能线索的硬件，长期以来一直被认为是缩小这一差距的一条路径。然而，大多数此类硬件仍停留在隐喻层面，而非机制层面。让人工信号实际触发生物组织中的反应，比该领域以往大多数工作所支持的观点都要更难、更具特异性。

由于制造过程是增材式的，只在需要的地方沉积材料，因此与传统半导体制造相比减少了浪费和成本。团队表示，这使得该方法在神经假肢和脑机接口等医疗应用中更具可行性，在这些应用中，设备柔性和生物耐受性是必要条件，而非可选特性。同样的打印方法引起了独立机构的兴趣，这一点指向了本研究之外的意义。卡内基梅隆大学的研究人员也使用了气溶胶喷射3D打印来制造用于脑机接口的高密度微电极阵列，该项目获得了美国国立卫生研究院在BRAIN计划下提供的195万美元资助，工作重点是以更高精度和更少组织损伤来记录神经信号。西北大学的器件则方向相反——产生生物组织能够响应的信号。这种在独立资助的不同项目中共同依赖气溶胶喷射3D打印的现象表明，该方法正在从孤立的实验室实验扩展为可重复的神经接口制造标准。