Наука

Вчені наблизилися до створення нейроморфних комп’ютерів

Пристрій, створений з бактеріальних білкових структур і металевих електродів, продемонстрував здатність до навчання і створення нових зв’язків.

Ученые приблизились к созданию нейроморфных компьютеров

Дослідники з Массачусетського університету в Амхерсті створили нейроморфний мемристор на основі білкових нанониток. Це своєрідна модифікація штучного мозку, яка здатна передавати сигнали при дуже низькій напрузі — порядка декількох десятків мілівольт. Стаття про це опублікована в Nature Communications.

За словами провідного автора роботи Тіанда Фу, однією з найбільших перешкод для створення нейроморфних обчислювальних пристроїв є саме те, що більшість звичайних комп’ютерів працюють при напрузі вище одного вольта. При цьому напруга сигналів, які наш мозок надсилає нейронам (так звані потенціали дії), — близько 80 мілівольтів. Завдяки використанню білкових нанониток Фу і його колеги змогли створити мемристори, які працюють за «неврологічним» значенням напруги.

Електропровідні протеїнові нитки для створення пристрою були отримані з білків бактерій Geobacter sulfurreducens. Вони мають ряд переваг у порівнянні з нанопроводами з кремнію: так, білкові наноструктури більш стабільні у водних розчинах і біологічних рідинах, а для їх виробництва не потрібні високоенергетичні процеси і токсичні хімічні речовини.

«Вперше [обчислювальне] пристрій може працювати при тому ж рівні напруги, що і мозок, — говорить співавтор дослідження Цзюнь Яо, спеціаліст по обчислювальній техніці та електроніці. — Люди, ймовірно, навіть не наважувалися сподіватися, що ми зможемо створити пристрій, який буде настільки ж енергоефективним, <…> але тепер у нас є реальні докази обчислювальних потужностей з наднизьким енергоспоживанням».
На думку Цзюня Яо, їх розробка — справжній прорив в області комп’ютерної техніки.

Ученые приблизились к созданию нейроморфных компьютеров
Мікрофотографії мемристорного синапсу до того, як на пристрій подавалися електричні сигнали(a I), після того, як подавалися електричні сигнали (a II) і після видалення білків ультразвуком (a III). Малюнок b показує спектр поглинання білкових структур, отриманий за допомогою Фур’є-спектроскопії. На малюнку показано напруження роботи пристрою при різній відносній вологості. На рисунку d показана вольтамперометрична характеристика пристрою для двох різних типів катодів / Fu, Yao, Lovley et al., Nature Communications, 2020.

В основі роботи мемристора лежить здатність білків G. sulfurreducens індукувати електрохімічне відновлення металів. Пристрій складається з двох срібних електродів на силікатній підкладці; простір між електродами заповнений бактеріальними наноструктурами. Подача сигналів на електроди призводила до того, що в нанонитках виникали нові з’єднання і розгалуження розміром в сотні разів менше діаметра людського волосся.

Цей процес віддалено нагадує виникнення нових зв’язків при навчанні в мозку людини. «Можна модулювати провідність або пластичність нановолоконно-мемристорного синапсу, щоб він міг емулювати біологічні компоненти для обчислень, заснованих на моделі мозку, — каже Цзюнь Яо. — У порівнянні з класичним комп’ютером цей пристрій має здатність до навчання, яке не обумовлене програмним забезпеченням».

Надалі творці нового мемристора планують «в повній мірі вивчити хімію, біологію і електроніку» білкових нанодротів в мемристорах, щоб створити пристрої, які могли б служити повноцінним «продовженням нейронів в мозку».

Натхнення: naked-science.ru


Підписуйтеся на нас в Гугл Новини, а також читайте в Телеграм і Фейсбук


Back to top button