總部位於法國Grenoble的研究機構CEA-Leti之研發焦點在奈米科技與相關應用,他們深信,在一個“高度連網世界(hyper-connected world)”,技術突破需要一種全新的研發方法。

Leti科學總監Barbara de Salvo最近接受EE Times專訪時表示:「我們正在針對創新尋求一個不同的技術軸心;」該機構的研究人員目前找到的新軸心,就是從大自然中學習。de Salvo舉例指出,連網裝置的關鍵技術功能區塊,包括感測、通訊、運算、能量採集與安全性,都需要具備三種屬性:不犧牲性能而達到的省電效益、簡易性以及內建的可信任性。

因為面臨能源短缺的風險,現在的研究人員越來越偏向以仿生(biomimicry)方式尋求創新,這能讓他們透過模仿大自然的生存模式與策略,為人類面臨的挑戰找到永續性解決方案。如de Salvo所言,這全都是:「向研發了40億年的大自然學習;」而她認為,仿生方案能提供研究人員「顛覆性的想法」。

師法自然在工程領域並不是新概念,很多研究人員已經在進行由人腦結構啟發的神經元(neurons)與突觸(synapses)開發,也就是神經型態運算(neuromorphic computing),或稱為神經型態工程;神經型態運算研究是釐清如何以個別神經元、電路、應用以及整個架構的形態,來創造理想的運算方案。

在硬體層級實現的神經型態運算案例,包括氧化物為基礎的憶阻器(memristor)、臨界值開關(threshold switches)以及電晶體。

在局部處理資料

而Leti的仿生技術研究與以往更著重於模仿人腦之神經形態工程部太相同,de Salvo表示:「我們是參照一個完整系統,例如整隻昆蟲的身體;」她解釋:「那是一個具備不可思議的感測器、且擁有合成資訊功能的完整智慧系統。」

該研究機構的研究合作夥伴是法國圖爾大學(University of Tours)生態學教授、法國大學研究院(Institut Universitaire de France)成員Jerome Casas;Casas是全球生物啟發(biologically inspired)技術領域的知名專家,Leti計劃將生物啟發工程研究與Casas率領的生物學家、數學家、工程師組成的團隊整合。

de Salvo認為,今日的MEMS感測器性能還無法媲美大自然,還有很大的學習空間;她指出,Leti特別有興趣的題目,是透過學習昆蟲的能力來開發新技術。在眾多聚焦於迷你化生物啟發感測系統的研究專案中,de Salvo指出,與神經形態電路相關的研究即是由昆蟲以及牠們在局部收集、處理資料的能力所啟發。

預期高度連結性將在物聯網中扮演關鍵角色,de Salvo表示,Leti的研究人員特別好奇昆蟲如何能在局部處理資料,例如蟋蟀腳上的觸鬚:「那些觸鬚不只能感測,實際上也具備資料處理以及產生智慧的能力,就像是扮演昆蟲的局部大腦。」

Casas在他的個人網頁上寫道:「仿生是另一種探索生命多樣性的方法,而且可能為我們帶來有益的回饋;當我們比較蟋蟀觸鬚以及最新MEMS感測器技術的能力,我們發現蟋蟀觸鬚的性能還是高出好幾倍,主要是因為其無與倫比的訊號處理能力。」

他並接著解釋「蟋蟀與蟑螂的逃脫系統」,他的研究顯示,這些昆蟲:「在位於腹部尾端的小腦處理資訊,能達到比人類大腦更快的處理速度。」

此外de Salvo也指出,昆蟲們控制能量消耗以支撐長途飛行的能力也很迷人;如Casas所言:「翅膀或腹板(plate)移動方式的微小變化,就會對散發的渦流以及能量消耗的數個方面產生巨大影響;工程師因此渴望從昆蟲實際上是如何拍翅膀來學習。」他表示他的團隊最近已經與物理學家與工程師合作研究這個議題。

Leti相信他們是法國第一個深入探索大自然的研究機構:「透過找到對的人,我們正在進行生物啟發、生物整合的研究專案;」她強調:「我們真的認為我們需要改變科技研發的方法。」

編譯:Judith Cheng

(參考原文: CEA-Leti: What Crickets Can Teach Us ,by Junko Yoshida)