Elektronik dass imitieren das menschliche Gehirn in effizientes Lernen

Aber jetzt ein Team an der University of Massachusetts Amherst hat entdeckt, während auf dem Weg zu einem besseren Verständnis Protein-Nanodrähte, wie diesen biologischen zu verwenden, Filamente Strom führt einen neuromorphe Memristor zu machen, oder „Speichertransistor,“ Gerät. Es läuft extrem effizient auf sehr niedriger Leistung, wie Gehirn, tun Signale zwischen den Neuronen zu tragen. Details sind in Nature Communications.

Als erster Autor Tianda Fu, ein Ph.D. Kandidaten in Elektro- und Computertechnik, erklärt, eine der größten Hürden zu neuromorphe Computing, und eine, die es scheinen unerreichbar gemacht, dass die meisten herkömmlichen Computern bei über 1 Volt betrieben werden, während das Gehirn Aktionssignale Potentiale zwischen den Neuronen bei rund 80 genannt sendet Millivolt, senken viele Male. Heute, ein Jahrzehnt nach frühen Experimenten, Memristor Spannung im Bereich ähnlich wie bei herkömmlichen Computern erreicht, aber unter dem immer schien unwahrscheinlich, fügt er hinzu.

Fu berichtet, dass aus dem Bakterium bei UMass Amherst unter Verwendung von Protein-Nanodrähte entwickelt Geobacter von Mikrobiologin und Co-Autor Derek Lovely, er jetzt Experimente durchgeführt hat, wo Memristoren neurologische Spannungen erreicht haben. Diese Tests wurden im Labor von Elektro- und Computertechnik-Forschern und Co-Autor Juni Yao durchgeführt.

Yao sagt: „Dies ist das erste Mal, dass ein Gerät Funktion auf dem gleichen Spannungspegel wie das Gehirn. Die Leute haben wahrscheinlich nicht einmal zu hoffen wagen, dass wir ein Gerät schaffen könnte, die als energieeffiziente wie die biologischen Pendants in a Gehirn, aber jetzt haben wir realistischen Beweis für Ultra-Low-Power-Computing-Funktionen. es ist ein Konzept Durchbruch und wir denken, dass es eine Menge Exploration in der Elektronik in der biologischen Spannungsregelung, dass die Arbeit verursachen wird.“

Schöne weist darauf hin, dass Geobacter des elektrisch leitenden Protein-Nanodrähte viele Vorteile gegenüber teuren Silizium-Nanodrähte bieten, die erfordern, giftige Chemikalien und hochenergetische Prozesse zu erzeugen. Protein-Nanodrähte sind auch stabiler in Wasser oder Körperflüssigkeiten, ein wichtiges Merkmal für biomedizinische Anwendungen. Für diese Arbeit der Forscher Nanodrähte aus den Bakterien scheren, so dass nur das leitfähige Protein verwendet wird, fügt er hinzu.

Fu sagt, dass er und Yao hatten die gereinigte Nanodrähte auf Herz und Nieren zu setzen festgelegt, um zu sehen, was sie in der Lage sind bei verschiedenen Spannungen, zum Beispiel. Sie experimentierten mit einem Pulsieren Ein-Aus-Muster der Positiv-Negativ-Ladung durch einen winzigen Metallfaden in einem memristor gesendet, der einen elektrischen Schalter erzeugt.

Sie verwendeten einen Metallfaden da Protein-Nanodrähte Metallreduktion zu erleichtern, Metallionen-Reaktivität und Elektronentransfereigenschaften zu verändern. Schöne sagt dieser mikrobiellen Fähigkeit ist nicht überraschend, weil wilde bakterielle Nanodrähte atmen und chemisch Metalle reduzieren ihre Energie, um die Art, wie wir atmen Sauerstoff zu bekommen.

Da die Ein-Aus-Impulse Veränderungen in den Metallfäden schaffen, neue Verzweigungen und Verbindungen in dem winzigen Gerät erstellt werden, die 100-mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares ist, erklärt Yao. Es schafft eine ähnliche Wirkung wie das Lernen, neue Verbindungen, in einem realen Gehirn. Er fügt hinzu: „Sie können die Leitfähigkeit modulieren, oder die Plastizität des Nanodrahts-Memristor Synapse, so dass es biologische Komponenten für Gehirn-inspired Computing emulieren kann. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Computer, dieses Gerät verfügt über eine Lernfunktion, die nicht softwarebasiert ist. "

Fu erinnert sich: „In den ersten Versuchen wir, wurde der Nanodraht Leistung nicht befriedigend, aber es war genug für uns zu halten.“ Mehr als zwei Jahre, sah er Besserung, bis einem verhängnisvollen Tag, als seine Augen und Yao durch Spannungsmessungen vernietet wurden auf einem Computer-Bildschirm erscheinen.

„Ich erinnere mich an den Tag, als wir diese große Leistung gesehen. Wir sahen der Computer als Strom-Spannungs-Sweep gemessen wurde. Es hielt dabei nach unten und nach unten und sagten, dass wir miteinander,‚Wow, es funktioniert.‘ Es war sehr überraschend und sehr ermutigend.“

Fu, Yao, Schöne und Kollegen planen Mechanismen diese Entdeckung mit mehr Forschung zu verfolgen und zu der Protein-Nanodrähte in Memristoren „voll der Chemie, Biologie und Elektronik erforschen“, sagt Fu sowie mögliche Anwendungen, die eine Einrichtung umfassen könnte Herzfrequenz, zum Beispiel überwachen. Yao fügt hinzu: „Dies bietet in den Machbarkeits hoffen, dass ein Tag dieses Gerät tatsächlich Neuronen in biologischen Systemen sprechen kann.“