Электроника, которая имитирует человеческий мозг в эффективном обучении

Всего 10 лет назад ученые, работавшие над тем, что, как они надеялись, открыли бы новую границу нейроморфных вычислений, могли только мечтать об устройстве, использующем миниатюрные инструменты, называемые мемристорами, которые будут функционировать / работать как настоящие мозговые синапсы, по информации сайта mzhost.ru.

Но теперь команда из Университета Массачусетса в Амхерсте, находясь на пути к лучшему пониманию белковых нанонитей, обнаружила, как использовать эти биологические, электропроводящие нити для создания нейроморфного мемристора или «транзистора памяти». Он работает очень эффективно на очень низкой мощности, как мозг, для передачи сигналов между нейронами. Подробности в Nature Communications.

Как первый автор Тианда Фу, доктор философии Кандидат в области электротехники и вычислительной техники объясняет, что одно из самых больших препятствий для нейроморфных вычислений, которое делает его недостижимым, заключается в том, что большинство обычных компьютеров работают при напряжении более 1 вольт, в то время как мозг посылает сигналы, называемые потенциалами действия, между нейронами на уровне около 80. милливольт - во много раз ниже. Сегодня, спустя десятилетие после ранних экспериментов, напряжение мемристора было достигнуто в диапазоне, аналогичном обычному компьютеру, но падение ниже этого казалось невероятным, добавляет он.

Фу сообщает, что, используя белковые нанопроволоки, разработанные в UMass Amherst из бактерии Geobacter микробиологом и соавтором Дереком Лавли, он теперь провел эксперименты, в которых мемристоры достигли неврологического напряжения. Эти испытания были проведены в лаборатории исследователя электротехники и вычислительной техники и соавтора Цзюня Яо.

Яо говорит: «Это первый раз, когда устройство может работать при том же уровне напряжения, что и мозг. Люди, вероятно, даже не осмеливались надеяться, что мы сможем создать такое же энергоэффективное устройство, как биологические аналоги в мозг, но теперь у нас есть реальные доказательства вычислительных возможностей со сверхнизким энергопотреблением. Это принципиальный прорыв, и мы думаем, что он вызовет много исследований в области электроники, которая работает в режиме биологического напряжения».

Прекрасно указывает, что электропроводящие белковые нанопроволоки Geobacter предлагают много преимуществ по сравнению с дорогими кремниевыми нанопроводами, для производства которых требуются токсичные химические вещества и высокоэнергетические процессы. Белковые нанопроволоки также более стабильны в воде или биологических жидкостях, что является важной характеристикой для биомедицинских применений. Для этой работы исследователи отрезают нанопроволоки от бактерий, поэтому используется только проводящий белок, добавляет он.

Фу говорит, что он и Яо намеревались провести очищенные нанопроволоки в их темпе, например, посмотреть, на что они способны при различных напряжениях. Они экспериментировали с импульсным включением-выключением положительно-отрицательного заряда, посылаемого через крошечную металлическую нить в мемристоре, который создает электрический выключатель.

Они использовали металлическую нить, потому что белковые нанопроволоки облегчают восстановление металлов, изменяя реакционную способность ионов металлов и свойства переноса электронов. Лавли говорит, что эта микробная способность не удивительна, потому что дикие бактериальные нанопроволоки дышат и химически восстанавливают металлы, чтобы получить их энергию, как мы дышим кислородом.

По словам Яо, поскольку импульсы включения-выключения вызывают изменения в металлических нитях, в крошечном устройстве создаются новые разветвления и соединения, которые в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса. Это создает эффект, похожий на обучение - новые связи - в реальном мозгу. Он добавляет: «Вы можете модулировать проводимость или пластичность синапса с нанопроволокой и мемристором, чтобы он мог эмулировать биологические компоненты для вычислений, основанных на мозге. По сравнению с обычным компьютером это устройство обладает способностью к обучению, которая не основана на программном обеспечении. "

Фу вспоминает: «В первых экспериментах, которые мы провели, производительность нанопроволоки была неудовлетворительной, но этого было достаточно для продолжения работы». За два года он видел улучшение, пока в один роковой день его глаза и Яо не приковались к измерениям напряжения, появляющимся на экране компьютера.

«Я помню тот день, когда мы увидели эту великолепную производительность. Мы наблюдали за компьютером, когда измеряли скачок напряжения. Он продолжал падать и падать, и мы говорили друг другу:« Ого, это работает ». Это было очень удивительно и очень обнадеживающе ».

Фу, Яо, Лавли и его коллеги планируют дополнить это открытие дополнительными исследованиями механизмов и «в полной мере изучить химию, биологию и электронику» белковых нанопроводов в мемристорах, говорит Фу, плюс возможные приложения, которые могут включать устройство для контролировать частоту сердечных сокращений, например. Яо добавляет: «Это дает надежду на возможность того, что однажды это устройство сможет общаться с реальными нейронами в биологических системах».

Предыдущая статья
Следущая статья


Вернуться