Всего 10 лет назад ученые, работающие над тем, что, как они надеялись, откроет новый рубеж нейроморфных вычислений, могли только мечтать об устройстве с помощью миниатюрных инструментов под названием memristors, которые бы функционировали/работали как настоящие мозговые синапсы.
Но теперь команда из Университета Массачусетса в Амхерсте открыла, находясь на пути к лучшему пониманию белковых нанопроволок, как использовать эти биологические, электропроводящие нити для создания нейроморфного мемристора, или "транзистора памяти", устройства. Он работает чрезвычайно эффективно на очень малой мощности, как мозг, для передачи сигналов между нейронами. Детали находятся в природе связи.
Как объясняет первый автор Тянда Фу, кандидат наук в области электротехники и вычислительной техники, одно из самых больших препятствий для нейроморфных вычислений, и то, что сделало его казаться недоступным, 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 памяти было достигнуто в диапазоне, похожем на обычный компьютер, но опускаясь ниже, что казалось невероятным, добавляет он.
Фу сообщает, что, используя белковые нанопровода, разработанные в UMass Amherst из бактерии Geobacter микробиологом и соавтором Дереком Лавли, он сейчас проводит эксперименты, в которых мемристоры достигли неврологических напряжений. Эти испытания проводились в лаборатории исследователя электротехники и компьютерной инженерии и соавтора Jun Yao.
Яо говорит: "Это первый раз, когда устройство может функционировать на том же уровне напряжения, что и мозг. Вероятно, люди даже не осмеливались надеяться на то, что мы сможем создать устройство, которое будет столь же энергоэффективным, как и биологические аналоги в мозге, но теперь у нас есть реалистичные доказательства сверхнизких вычислительных возможностей". Это концептуальный прорыв, и мы думаем, что это вызовет большие исследования в области электроники, которая работает в режиме биологического напряжения".
Лавли отмечает, что электропроводящие белковые нанопровода Geobacter обладают многими преимуществами по сравнению с дорогими кремниевыми нанопроводами, для производства которых требуются токсичные химикаты и высокоэнергетические процессы. Белковые нанопровода также более стабильны в воде или телесных жидкостях, что является важной характеристикой для биомедицинских применений. Для этой работы исследователи срезают нанопровода с бактерий, поэтому используется только проводящий белок, добавляет он.
Фу говорит, что они с Яо решили пропустить очищенные нанопровода через свой ход, чтобы, например, увидеть, на что они способны при различных напряжениях. Они экспериментировали с пульсирующей картиной включения-выключения положительно-отрицательного заряда, посылаемого через крошечную металлическую нить в запоминающее устройство, которое создает электрический переключатель.
- Они использовали металлическую нить, потому что белковые нанопровода облегчают восстановление металла, изменяя реакционную способность ионов металла и свойства переноса электронов. Лавли говорит, что эта микробная способность не удивительна, потому что дикие бактериальные нанопровода дышат и химически уменьшают металлы, чтобы получить свою энергию так же, как мы дышим кислородом.
По мере того, как включенные импульсы создают изменения в металлических нитях, в крошечном приборе, который в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса, создаются новые разветвления и соединения, объясняет Яо. Это создает эффект, похожий на обучение - новые связи - в реальном мозге. Он добавляет: "Можно модулировать проводимость или пластичность нанопроволочно-мемристорного синапса, чтобы он мог эмулировать биологические компоненты для вычислений, вдохновленных мозгом". По сравнению с обычным компьютером, это устройство обладает способностью к обучению, которая не основана на программном обеспечении".
Фу вспоминает: "В первых экспериментах, которые мы проводили, производительность нанопровода была неудовлетворительной, но ее было достаточно, чтобы продолжать". В течение двух лет он видел улучшение до одного рокового дня, когда его глаза и глаза Яо были заклеены измерениями напряжения, появлявшимися на экране компьютера.
"Я помню день, когда мы увидели это великолепное представление. Мы смотрели на компьютер, как измерялось текущее напряжение. Он продолжал работать, и мы говорили друг другу: "Ух ты, он работает". Это было очень удивительно и очень обнадеживающе".
- Фу, Яо, Лавли и коллеги планируют в продолжение этого открытия провести дополнительные исследования механизмов и "полностью исследовать химию, биологию и электронику" белковых нанопроволок в мемуарах, говорит Фу, плюс возможные приложения, которые могут включать в себя устройство для мониторинга частоты пульса, например. Яо добавляет: "Это дает надежду на то, что когда-нибудь это устройство сможет разговаривать с настоящими нейронами в биологических системах".
