Саугат Болахе 28 января 2022 года
Нейроморфное вычислительное устройство решило головоломку, работая так, как это сделал бы мозг животного
Зимой 1997 года Карвер Мид читал лекцию на необычную для компьютерщика тему: нервные системы животных, таких как скромная муха. Мид, исследователь из Калифорнийского технологического института, описал свою более раннюю идею создания электронной системы решения проблем, вдохновленной нервными клетками, технику, которую он назвал “нейроморфными” вычислениями. Четверть века спустя исследователи разработали нейроморфное вычислительное устройство на основе углерода-по сути, органический мозг робота,-которое может научиться ориентироваться в лабиринте.
Нейроморфный чип запоминает информацию так же, как это делает животное. Когда мозг узнает что-то новое, группа его нейронов перестраивает свои связи, чтобы они могли общаться быстрее и проще. Как говорится в нейробиологии, “Нейроны, которые срабатывают вместе, соединяются вместе”. Когда нейроморфный чип учится, он перестраивает свои электрические цепи, чтобы сохранить новое поведение, как это делает мозг, чтобы сохранить память.
Идея мозгоподобных вычислений существует уже некоторое время. Но Пасхалис Купиденис из Института исследований полимеров Макса Планка в Майнце, Германия, и его группа нейроморфных исследований являются пионерами в разработке этой технологии из органических материалов. Для создания своего чипа исследователи использовали длинные цепочки молекул на основе углерода, называемых полимерами, которые являются мягкими и в некотором смысле ведут себя аналогично живым тканям. Чтобы их материал нес электрический заряд, как настоящие нейроны, которые являются энергоэффективными и работают в водной среде, ученые покрыли органический материал гелем, богатым ионами. Это обеспечило “больше степеней свободы для имитации биологических процессов”, - говорит Гкупиденис.
Ранее некоторые исследователи, которые работали с группой Макса Планка из Gkoupidenis над новым исследованием, показали, что органические полимеры могут записывать аспекты своих прошлых состояний. Это открытие предполагало, что полимеры могут “запоминать” определенную информацию, такую как последовательность поворотов, необходимых для навигации по лабиринту. Поэтому в недавнем исследовании команда использовала органический материал для создания транзисторов—устройств переключения мощности и сигналов - и объединила их в схему. Полученный “мозговой чип” может принимать сенсорные сигналы и использовать их для адаптации к внешним стимулам. После того, как он узнал, в какую сторону двигаться, схема может посылать точные моторные команды телу робота. Исследователи описали свою работу в журнале Science Advances в прошлом месяце.
Как только члены команды разработали свой органический чип мозга робота, лабиринт показался им идеальной реальной ситуацией для его тестирования. Это происходит потому, что успех или неудача сразу становятся очевидными: если робот заканчивает лабиринт, он явно чему—то научился, а “если нет, значит, он не научился”,-объясняет соавтор исследования Йоери ван де Бургт из Технологического университета Эйндховена в Нидерландах.
Команда выбрала коммерческого игрушечного робота под названием Lego Mindstorms EV3, который имеет два входных датчика для регистрации сигналов прикосновения и “зрения” и два колеса для перемещения. Ученые оснастили игрушку своим чипом, который мог контролировать направление, в котором двигались колеса. Затем они спроектировали лабиринт площадью два квадратных метра, который выглядел как двумерные соты, заполненные потенциальными перекрестками, и выпустили робота в нем.
На каждом перекрестке машина по умолчанию поворачивала направо. Но каждый раз, когда он в конце концов ударялся о боковую стену, он получал “пощечину”, как выразился ван де Бургт. “Ну, это причудливая [фраза] для того, чтобы немного настроить сопротивление", - добавляет он. Это означает, что, когда робот получил легкое прикосновение человека или ударился о стену, датчики передали этот сенсорный сигнал в органическую схему. В ответ—подобно тому, как нейроны перестраиваются после получения корректирующего стимула—электрическое свойство полимера, называемое сопротивлением, было снижено. Это позволило большему напряжению проходить через полимер, что привело к тому, что ионы в материале переместились на другой конец цепи. Основываясь на движении и накоплении ионов, мозг робота теперь мог принять другое решение: на перекрестке, который изначально привел его в замешательство, вместо поворота направо по умолчанию, он теперь повернет налево. Таким образом, робот научился. При каждом неверном движении робот либо ударялся о стену, либо к нему осторожно прикасались исследователи. Затем его перенесли обратно в начало лабиринта. Робот продолжал учиться, в какую сторону поворачивать на каждом новом перекрестке, пока в конце 16-го пробега, наконец, не добрался до выхода.
“Устройство учится так же, как мы учим детей, давая вознаграждение, если они правы, или не вознаграждая, если они ошибаются”, - говорит Ариндам Басу, профессор электротехники в Городском университете Гонконга, который не участвовал в новом исследовании. В этом случае робот выполнял только двоичные решения, поворачивая либо влево, либо вправо. “Поэтому было бы интересно расширить задачу, чтобы выбирать между несколькими решениями”, - говорит Басу.
Эксперимент “действительно классный”, - говорит Джеффри Кричмар, специалист по компьютерам из Калифорнийского университета в Ирвине, который также не принимал участия в исследовании. По словам Кричмара, роботу было разрешено совершать ошибки и исправлять их позже. Исследователи не запрограммировали его будущие шаги, отмечает он, “но они позволили всему обучению быть частью его схемы”.
Хотя эксперимент продемонстрировал обучающую способность органического управляющего чипа, способность машины ощущать свое окружение и двигаться по-прежнему зависела от неорганических компонентов игрушечного робота. “Следующими шагами может быть замена их органическими аналогами”, - говорит Роберт Навроки, доцент Школы инженерных технологий Университета Пердью, еще один исследователь, который не участвовал в исследовании. Полностью органическое устройство было бы выгодно, потому что оно могло бы быть биосовместимым-потенциально позволяющим, например, имплантировать его в человеческое тело. Навроцкий предполагает, что если органические нейроморфные устройства достигнут этой точки, они могут помочь в лечении некоторых заболеваний и травм нервной системы. В мозге, добавляет он, нейроморфные имплантаты могут позволить людям также управлять энергетическими экзоскелетами.
Органический нейроморфный чип также имеет то преимущество, что требует меньше энергии, чем стандартный чип. Для переключения органическим транзисторам требуется всего полвольта электроэнергии—примерно в 20 раз меньше, чем их кремниевым аналогам с аналогичными размерами, считают авторы нового исследования. Поскольку мощность пропорциональна напряжению, это означает, что вся система имеет более низкие требования к питанию. По словам ван де Бургта, нейроморфный чип также относительно дешев в производстве и сравнительно проще, чем кремниевая система.
Такая маломощная система может иметь множество применений. Например, это может помочь роботам работать в течение долгих часов в отдаленных местах на Земле—или даже на другой планете—без постоянной подзарядки, говорит Кричмар. Через пятьдесят или 100 лет Навроцкий говорит: “У нас могут появиться автономные роботы сверхнизкой мощности, такие как искусственные насекомые, которые могут даже опылять посевы”.