日前
南开大学电子信息与光学工程学院
2022级电子科学与技术专业博士生
刘甲奇
获评2024年天津市高校“大学生年度人物”称号
并获得天津市王克昌奖学金特等奖
1950年，“AI之父”图灵提出了“具身智能”这一概念，指的是将人工智能融入机器人，让机器像人类一样感知、学习和与环境动态交互。想象一下，未来的人形机器人不再是冰冷的钢铁，而是可以像人类一样拥有骨骼、肌肉、韧带，通过视觉、听觉、嗅觉和触觉等感知世界。
刘甲奇所在团队从事的研究，正在将这样的科幻想象变为现实。
在机械声回荡的实验室里，刘甲奇从样品盒中小心地拿出一个灰色方形片状物。在白色工作灯的映照下，布满金色走线的方片看起来比指甲盖大不了多少，这就是刘甲奇5年来持续深耕的研究领域——神经形态电子芯片。
神经形态电子芯片又被称为“类脑芯片”，是一种全新的芯片架构，通过柔性突触器件模拟人体神经网络中的突触和神经元行为，像人脑一样以更低的能耗、更快的速度传输、处理和储存信息，被视为打破后摩尔时代瓶颈的解决方案之一。
刘甲奇介绍道：“简单来说，以ChatGPT为代表的生成式人工智能，需要庞大的数据、算法和算力支持。而我们所做的神经形态电子学研究，模拟的是人体神经细胞膜电位变化和动作电位的动力学过程，从而能够以相对较低的能耗实现高效的认知与行为再现。”
2020年，对科研充满热情的刘甲奇进入徐文涛教授课题组学习，致力于神经形态电子学中关键材料与器件的研究，以及人造感知—运动神经系统的完备性构建。
人类能够感知冷热、疼痛、触压等外部刺激，是因为体内神经网络中的神经元通过突触传递信号。人造神经就是通过人工体外电子重塑的方式，模拟或者代替生物体内的神经功能。
“实现体外人造神经重建，意味着能够帮助截瘫患者或者阿尔茨海默病、帕金森等神经退行性疾病患者重新获得感知和运动的能力，也可以让机器人具有或者超过人类的感知和运动能力。”刘甲奇说。
听起来十分梦幻，但想让“科幻照进现实”并不是一件容易的事。一头扎进这一交叉新兴领域的刘甲奇很快发现，几乎所有知识都要从头学起。为了尽快掌握前沿知识和实验要领，他几乎每天都“泡”在实验室里，阅读文献数千篇、反复构思实验设计，在一次又一次尝试、失败、再尝试的循环中不断向最前沿的领域探索。
为了维护实验材料不受污染，保证高精度的操作控制，几乎所有的实验都需要站立在真空手套箱前完成。“有时候感觉做实验就像在做一场手术，一旦开始就不想停下来。”刘甲奇说，“最长一次实验连续进行了10多个小时，当时满脑子只想着实验结果，结束了才发现已经过去这么久的时间。”
虽然实验很难一次就获得成功，但在刘甲奇看来，这也正是科研的魅力所在，能够在未知的领域中探索无限可能。“感觉自己也是有些幸运在身上的，比如在吃饭或散步的时候，偶尔会灵光一闪有了新的思路，就很像一道曙光穿透了迷雾，让原本陷入僵局的实验豁然开朗，得到意想不到的转机与希望。”刘甲奇笑着说。
首次完成缩手反射、瞳孔反射等重要生命活动的体外电子重现，实现哺乳动物启发的多模态触觉……科研上每一次取得的新突破，都成为刘甲奇下一程出发的新起点，让“科幻成真”的可能又多了一分。
2022年11月17日，在刘甲奇23岁生日的前一天，他与团队成员共同完成的论文被《自然·通讯》（Nature Communications）正式接收。论文首次提出了一种兆赫兹级超快柔性人工突触器件，成功打破了当时两端突触器件的最低能耗世界纪录。
人工突触是类脑仿生系统组成和功能的基础单位，也是同时实现通信、计算和记忆功能的关键部件，其运行速度和能耗大小对系统性能有着举足轻重的影响。“如果把类脑系统看作一座城市，那么性能卓越的人工突触就像是一座笔直的‘高架桥’，让信号传输速度更快、能耗更低。”刘甲奇说。
如今，刘甲奇已经主持首批国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生），并以第一作者或共同一作在Nature Communications（3篇）、ASC Nano、Advanced Functional Materials、Nano Letters等高水平国际期刊发表论文11篇，申请专利4项。
在刘甲奇看来，自己能够一直在奔向科幻未来的道路上“带电追光”，离不开导师徐文涛的指导和学院的支持。“老师总说，我们的研究成果之所以能被认可，主要是因为这一创新领域面向生命健康、有望造福人类。所以我也希望有一天能让自己的研究，从工科视角为神经退行性疾病带来新的希望”。
为了把成果从“实验室”送上“生产线”，刘甲奇先后赴北京、上海、广州、苏州和南通等5省7地实践调查，参加“政校企”协同发展会并推介科研成果，与多家行业龙头企业构建紧密合作关系。他参与研发的可穿戴手语识别产品也正在进行孵化。
谈到未来研究计划，刘甲奇说：“人类的神经系统非常精密、复杂，目前人造感觉-运动神经还不能实现完整的生物兼容，我们会继续探索解决办法，争取早日解决这一难题。”
祝贺刘甲奇同学！
期待更多的南开青年
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来源：南开大学融媒体中心
记者：高雨桐
图片由受访者提供
编辑：林显京 聂际慈
审核：吴军辉 刘喆萱
