超低功率生物医学和仿生系统-翻译公司.PDFVIP

翻译样稿(Translation Sample) 北京华译网翻译公司(Beijing HuayiNet Translation Company) 超低功率生物医学和仿生系统 Rahul Sarpeshkar 麻省理工学院 生物系统非常节能，并能借助不可靠且具有噪音的组分进行可靠和准确的计 算。例如，大脑利用每浮点运算的约为 0.2fJ （千万亿分之一焦耳）的惊人能源 效率进行计算，而能源效率更高的细胞则采用每活性生物分子运算仅为20kT 的 能量，即8 × 10–20J 或热量的20 个单位进行计算（Sarpeshkar，2010 ）。相似地， 眼睛、耳朵和身体其它器官的令人印象深刻的能源效率值也可在文献中找到 （Sarpeshkar，2010 ）。由生物启发的电路创造引导了在生物领域外有所应用的新 建筑和系统的产生。这些电路也可立即用于修复生物系统，如果它们无法运转（比 如，神经假肢）。这些讨论阐述了生物电路和电子电路是如何指导发明为聋人、 盲人和瘫痪患者服务的低功率且抗噪音的系统以及先进的仿耳无线电接收器。最 后本文讨论了在电子学和化学之间建立了重要桥梁的细胞形态系统或仿细胞系 统（Sarpeshkar，2010 ）。这些系统为系统和合成生物学的模拟电路建立了严格的 基础，也对未来的医学和生物工程有重要作用。 模拟与数字计算的严格利弊分析（Sarpeshkar，1998）证明，如果精密度较 低，模拟计算则比数字计算更节能，反之亦然（Sarpeshkar，1998）。模拟计算应 用的是不一定合乎逻辑或线性的基本计算技术中的可用物理基底函数。生物利用 该观点使计算成为一种新颖的、更节能的集体模拟或混合体（即，不纯粹是数字 或模拟，而是二者的紧密结合）（Sarpeshkar，2010 ）。工程系统可以从生物学得 到启发进而也以这种方式计算。合理量的模拟预处理后，可以通过延迟数字化提 高能源效率（Sarpeshkar，2010 ）。 仿生集体模拟系统的一个例子是无线电频率（RF ）耳蜗（曼德尔等，2009 ）， 即仿生内耳或耳蜗的光谱分析的电子芯片并进而开发节能的、快速宽频射频频谱 分析仪。该芯片基于耳朵的光谱分析体系，是最快、最有效率的硬件（快于数字 快速傅里叶变换或模拟滤波器组）。它能有效地映射偏微分方程，该方程描述了 千赫音频下的生物耳蜗的具有细胞膜鞭毛的流动细胞的相互作用以及千兆赫音 翻译样稿(Translation Sample) 北京华译网翻译公司(Beijing HuayiNet Translation Company) 翻译样稿(Translation Sample) 北京华译网翻译公司(Beijing HuayiNet Translation Company) 频下的RF 耳蜗的感应器- 电容器放大器的相互作用。合成的宽频RF 耳蜗芯片的 操作采用比传统模拟滤波组成本低20 倍的硬件或比将RF 输入直接数字化而进 行光谱分析的系统功率低 100 倍的硬件。RF 耳蜗作为先进理论的前端或未来的 软件无线电，前景无限（Sarpeshkar，2010 ）。 利用模拟电路进行节能光谱分析对重度失聪患者的仿耳或人工耳蜗处理器 也是有用的。人工耳蜗处理器以非线性方式压缩话筒信号中存在的光谱信息，从 而适应听觉神经附近植入的耳蜗电极组的电荷平衡的音质电流刺激。例如，文献 （Sarpeshkar 等，2005 ）中描述的数字化可编程模拟人工耳蜗处理器，相比先进 行模拟数字转换、再进行数字信号处理的传统设计，其能源消耗降低了20 倍； 听懂谈话的患者第一次使用该处理器时，其 86 个参数能够进行灵活编程 （Sarpeshkar，2006 ）；对若干噪音源高度稳健，包括收音机失谐、1/f 或粉红噪 音、供电噪音、RF 串音干扰、热噪声和温度变化；处于或接近能源节约的最佳 状态，甚至处于摩尔定律的末端。因此，该处理器符合未来的完全植入式和低成 本系统：251-μW 的能源消耗使其能够利用小号的100-mAh 电池和1000 次