在人工智能和机器学习技术飞速发展的今天，一个不容忽视的问题日益凸显：这些技术背后巨大的能源消耗。传统计算机在存储和处理数据时采用分离单元，信息在它们之间传输需要消耗大量能源。针对这一挑战，MIT材料科学与工程系的博士生Miranda Schwacke正致力于开发一种更高效的计算方式——脑启发计算，这种技术模拟人脑的工作原理，在同一位置处理和存储信息，从而大幅降低能耗。
从姜饼屋到实验室：科学探索的起点
"你如何利用科学建造一个更结实的姜饼屋？"这个问题曾占据Miranda Schwacke的思绪。作为MIT材料科学与工程系的博士生，她同时也是"Kitchen Matters"小组的成员，这个由研究生组成的团队通过食物和厨房工具来解释科学概念，制作短视频并进行科普活动。
两年前，当小组制作关于如何建造结构稳固的姜饼屋的视频时，Schwacke翻阅了大量食谱，寻找能产生最显著差异的变量。她将注意力集中在黄油上，因为黄油中含有水分，在高温烘焙时会转化为蒸汽，在饼干中形成气孔。Schwacke预测减少黄油用量会产生更密实的姜饼，足以支撑房屋结构。
"这个假设展示了如何通过改变结构来影响材料的性能和特性，"Schwacke在八分钟的视频中解释道。
这种对材料性能和特性的好奇心驱使她研究计算的高能源成本，特别是人工智能领域。Schwacke开发用于神经形态计算的新型材料和设备，这种技术通过在同一位置处理和存储信息来模拟人脑。她研究电化学离子突触——微小的设备可以"调节"以调整电导率，类似于大脑中神经元增强或减弱连接的方式。
能源效率的迫切需求
"特别是看人工智能——训练这些大型模型——消耗大量能源。与我们人类学习事物时消耗的能量相比，大脑消耗的能量要少得多，"Schwacke说。"这促使我们寻找更受大脑启发的、节能的AI实现方法。"
她的导师Bilge Yildiz强调了这一点：大脑如此高效的一个原因是数据不需要来回移动。
"在我们大脑中，神经元之间的连接，称为突触，是我们处理信息的地方。信号传输在那里发生。信息被处理、编程，也存储在同一位置，"Yildiz说，她是核科学与工程系和材料科学与工程系的Breene M. Kerr (1951)教授。Schwacke的设备旨在复制这种效率。
Schwacke在实验室进行电化学实验，通过连接的笔记本电脑监测结果。
科学根源：从恐龙到材料科学
作为海洋生物学家母亲和电气工程师女儿，Schwacke从小就沉浸在科学环境中。科学"一直是我理解世界的一部分"。
"我痴迷于恐龙。长大后我想成为古生物学家，"她说。但她的兴趣逐渐扩展。在南卡罗来纳州查尔斯顿的中学，她加入了FIRST乐高联盟机器人竞赛，建造机器人完成推拉物体等任务。"我的父母，尤其是我父亲，非常积极地参与学校团队，帮助我们设计和建造参加比赛的小机器人。"
与此同时，她的母亲为国家海洋和大气管理局研究污染如何影响海豚种群，这一经历对Schwacke产生了深远影响。
"这是科学如何被用来理解世界，以及我们如何能够改善世界的例子，"Schwacke说。"这也是我一直想用科学做的事情。"
她对材料科学的兴趣出现得更晚，在高中磁力项目中。在那里，她接触到了这门跨学科的课程，它是物理学、化学和工程的结合，研究材料的结构和性质，并利用这些知识设计新材料。
"我一直很喜欢它从非常基础的科学开始，我们研究原子如何排列，一直到我们在日常生活中互动的固体材料——以及这如何赋予它们我们可以看到和操作的特性，"Schwacke说。
Schwacke(右)与导师Yildiz教授在MIT校园的实验室讨论她的电化学实验。
跨学科研究：从太阳能电池到脑启发计算
高中毕业时，Schwacke参与了研究项目，论文课题是染料敏化太阳能电池，这是一种低成本、轻量级的太阳能技术，利用染料分子吸收光并发电。
"驱动我的是真正理解，这就是我们从光到可用能量的过程——也看到这如何帮助我们拥有更多可再生能源，"Schwacke说。
高中毕业后，她前往加州理工学院。"我想尝试一个全新的地方，"她说，在那里她学习材料科学，包括比人类头发细数千倍的纳米结构材料。她专注于材料性能和微观结构——控制材料行为的微小内部结构，这使她接触到电池和燃料电池等电化学系统。
在MIT，她继续探索能源技术。2020年秋季，在她研究生第一年，校园仍在严格的Covid-19协议下运营时，她在Zoom会议上遇到了Yildiz。Yildiz的实验室研究带电原子（离子）如何在燃料电池、电池和电解槽等技术中穿过材料。
该实验室对脑启发计算的研究激发了Schwacke的想象力，但她同样被Yildiz谈论科学的方式所吸引。
"它不基于行话，而是强调对正在发生的事情的基本理解——离子在这里移动，电子在那里移动——以从根本上理解系统中的情况，"Schwacke说。
Schwacke和导师在探针站工作，测量钨氧化物薄膜的电阻。
镁离子与钨氧化物：突破性研究
这种思维方式塑造了她的研究方法。她的早期项目专注于这些设备良好工作所需的特性——快速操作、低能耗和与半导体技术的兼容性——以及使用镁离子代替氢，因为氢可能逃逸到环境中并使设备不稳定。
她目前的项目，即她博士论文的重点，是理解镁离子插入钨氧化物（一种电学性质可精确调节的金属氧化物）如何改变其电阻。在这些设备中，钨氧化物用作通道层，电阻控制信号强度，类似于大脑中突触调节信号的方式。
"我试图理解这些设备如何精确地改变通道电导，"Schwacke说。
Schwacke的研究在2023年和2024年获得了工程学院MathWorks奖学金的认可。该奖学金支持利用MATLAB或Simulink等工具的研究生；Schwacke应用MATLAB进行关键的数据分析和可视化。
Yildiz将Schwacke的研究描述为解决AI最大挑战的新一步。
"这是用于脑启发计算的电化学，"Yildiz说。"这是电化学的新背景，但也有能源影响，因为计算能源消耗正在不可持续地增长。我们必须找到以低得多的能源进行计算的新方法，这是一种可以帮助我们朝这个方向发展的方法。"
钨氧化物薄膜放置在实验室的探针站上，测量其电阻。
跨越学科界限的挑战
像任何开创性工作一样，这项研究带来了挑战，特别是在 bridging 电化学和半导体物理的概念方面。
"我们的团队来自固态化学背景，当我们开始这项研究研究镁时，以前没有人在这类设备中使用过镁，"Schwacke说。"所以我们查看镁电池文献，寻找我们可以使用的不同材料和策略。当我开始这项工作时，我不仅仅是在学习一个领域的语言和规范——我试图学习两个领域的，并在两者之间进行翻译。"
她还面临着所有科学家都熟悉的挑战：如何理解混乱的数据。
"主要挑战是能够获取我的数据并知道我以正确的方式解释它，并且我理解它实际上意味着什么，"Schwacke说。
她通过与神经科学和电气工程等领域的同事密切合作来克服障碍，有时只是对实验进行微小调整并观察接下来会发生什么。
Schwacke和导师在实验室合影。
科学传播与社区建设
Schwacke不仅在实验室活跃。在Kitchen Matters中，她和DMSE的研究生同学在剑桥科学博览会和Steam It Up等当地活动中设立展位，后者是为儿童提供动手活动的课后项目。
"我们做了'pHun with Food'，'fun'拼写为pH，所以我们用卷心菜汁作为pH指示剂，"Schwacke说。"我们让孩子们测试柠檬汁、醋和洗洁精的pH值，他们混合不同液体并看到各种颜色时玩得很开心。"
她还担任DMSE研究生组织研究生材料委员会的社交主席和财务主管。作为加州理工学院的本科生，她为Robogals（一个鼓励年轻女性从事科学事业的学生组织）领导科学和技术研讨会，并协助学生申请该学校的本科生夏季研究奖学金。
对Schwacke来说，这些经历提高了她向不同受众解释科学的能力，她认为这是一种无论是在儿童博览会还是研究会议上展示都至关重要的技能。
"我总是在想，我的听众从哪里开始，在我进入我所做的工作之前需要解释什么，以便对他们来说都有意义？"她说。
Schwacke认为沟通能力对于建立社区至关重要，她认为这是研究工作的重要组成部分。"它有助于传播想法。获得对你工作的新视角总是有帮助的，"她说。"我也认为这在我们攻读博士学位期间能让我们保持理智。"
Yildiz将Schwacke的社区参与视为她简历的重要组成部分。"她正在做所有这些活动，以激励更广泛的社区进行研究，对科学感兴趣，追求科学技术，但这种能力也将帮助她推进自己的研究和学术追求。"
未来展望：教育与科研的结合
博士毕业后，Schwacke希望将这种沟通能力带入学术界，在那里她希望激励下一代科学家和工程师。Yildiz毫不怀疑她会蓬勃发展。
"我认为她非常合适，"Yildiz说。"她很聪明，但光靠聪明才智是不够的。她坚持不懈，有韧性。除此之外，你真的需要这些品质。"
博士生Miranda Schwacke开发用于神经形态计算的材料和设备，这种计算像大脑中的神经元和突触一样同时处理和存储信息。
脑启发计算代表了人工智能领域的一个重要发展方向，通过模拟人脑的高效工作方式，有望解决当前计算技术面临的能源挑战。Miranda Schwacke的研究不仅为这一领域提供了新的材料和解决方案，也展示了跨学科合作和科学传播在推动科技进步中的重要作用。随着更多像Schwacke这样的年轻科学家的加入，我们有理由期待一个更加可持续、高效的AI未来。
