Инженеры из Массачусетского университета в Амхерсте разработали искусственный нейрон, электрическая активность которого сравнима с активностью естественных клеток мозга. Эта новаторская разработка появилась благодаря предыдущему исследованию группы, и в ней используются белковые нанопровода, изготовленные из производящих электроэнергию бактерий. Этот новый подход может проложить путь компьютерам, работающим с эффективностью живых систем и даже способным напрямую соединяться с живой тканью.
«Наш мозг обрабатывает невероятные объёмы данных, — говорит Шуай Фу, студент магистратуры по специальности электрическое и компьютерное проектирование в Массачусетском университете в Амхерсте, а также ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Nature Communications. — Но он обладает очень, очень низкой энергозатратностью, особенно по сравнению с тем количеством электроэнергии, которое требуется для работы таких больших языковых моделей, как ChatGPT».
Человеческий организм работает с удивительной электрической эффективностью, более чем 100-кратно превышающей эффективность стандартной компьютерной платы. В одном только мозге существуют миллиарды нейронов, специализированных клеток, посылающих и принимающих электрические сигналы на всём протяжении организма. Для выполнения такого задания, как написание рассказа, мозгу человека требуется всего лишь около 20 ватт энергии, в то время как большой языковой модели для этого требуется более мегаватта.
Инженеры давно пытаются разработать искусственные нейроны для более энергосберегающих вычислений, но главным препятствием было снижение энергозатрат до такой степени, чтобы они были сопоставимы с биологическими уровнями. «Предыдущим версиям искусственного интеллекта требовалось в 10 раз больше напряжения и в 100 раз больше энергии, чем тому, что создали мы, — говорит Дзюнь Яо, профессор-адъюнкт электрического и компьютерного проектирования Массачусетского университета в Амхерсте и старший автор статьи. — По этой причине предыдущие разработки были значительно менее эффективны и не имели возможности напрямую связываться с живыми нейронами, чувствительными к сильным электрическим сигналам.
«Наши нейроны показывают всего 0,1 вольта, что сопоставимо с нейронами нашего организма», — говорит Яо.
Для нового нейрона Фу и Яо существует широкий спектр применений, от перепроектирования компьютеров в соответствии с био-инспирированными и намного более производительными принципами, до электронных устройств, способных поддерживать прямую связь с нашим организмом.
«Сейчас у нас есть всевозможные портативные электронные сенсорные системы, — говорит Яо, — но они сравнительно неуклюжи и непроизводительны. Каждый раз, когда они получают сигнал от нашего организма, им приходится усиливать его с помощью электричества, чтобы компьютер смог его проанализировать. Эта промежуточная стадия усиления повышает как потребление энергии, так и сложность схемы, но сенсоры, построенные на наших слаботочных нейронах, могут обходиться без какого бы то ни было усиления».
Секретный ингредиент в низковольтных нейронах учёных — это белковый нанопровод, синтезированный из удивительной бактерии Geobacter sulfurreducens, которая, к тому же, обладает сверхспособностью вырабатывать электричество. Яо вместе с коллегами использовал белковые нанопровода бактерии, чтобы разработать кучу необычных высокоэффективных устройств: биоплёнку на основе пота, способную служить источником питания персональных электронных устройств; «электронный нос», способный вынюхивать болезни; и устройство, которое можно создать практически из чего угодно, и которое может собирать электричество прямо из воздуха.
Исследование проводилось при поддержке Научно-исследовательского управления СВ, Национального фонда науки США, Национальных институтов здоровья и Фондом Альфреда П. Слоуна.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Массачусетским университетом в Амхерсте (University of Massachusetts Amherst).
Вам также может быть интересно: