Electrónicos que imitan el cerebro humano en el aprendizaje eficiente

Pero ahora un equipo de la Universidad de Massachusetts Amherst ha descubierto, mientras que en su manera de nanocables de proteína mejor comprensión, el uso de estos filamentos biológicos, conductor de electricidad para hacer un memristor neuromórfico, o "transistor de memoria," dispositivo. Se ejecuta de forma extremadamente eficaz de muy baja potencia, como hacen los cerebros, para transportar señales entre las neuronas. Los detalles están en Nature Communications.

Como primer autor Tianda Fu, un Ph.D. candidato en ingeniería eléctrica e informática, explica, uno de los mayores obstáculos para la computación neuromórfico, y uno que hizo que parece inalcanzable, es que las computadoras más convencionales operan en más de 1 voltio, mientras que el cerebro envía señales llamados potenciales de acción entre las neuronas en torno al 80 milivoltios, muchas veces menor. Hoy, una década después de los primeros experimentos, tensión memristor se ha logrado en el rango similar al ordenador convencional, pero conseguir por debajo de ese parecía improbable, añade.

Fu informa que el uso de nanocables de proteínas desarrolladas en la Universidad de Massachusetts Amherst de la bacteria Geobacter por el microbiólogo y coautor Derek precioso, que ha llevado a cabo experimentos en los que ahora han alcanzado memristors voltajes neurológicos. Esas pruebas se llevaron a cabo en el laboratorio de electrónica y computación investigador de ingeniería y co-autor junio Yao.

Yao dice, "Esta es la primera vez que una función de dispositivo puede al mismo nivel de tensión como el cerebro. La gente probablemente ni siquiera se atreven a esperanza de poder crear un dispositivo que es como la energía-eficiente como los homólogos biológicos en una cerebro, pero ahora tenemos pruebas realista de las capacidades de ultra baja potencia de cálculo. es un concepto innovador y creemos que va a causar una gran cantidad de exploración en la electrónica "que el trabajo en el régimen de tensión biológica.

Precioso señala que nanocables de proteínas eléctricamente conductoras de Geobacter ofrecen muchas ventajas sobre nanocables de silicio caros, que requieren productos químicos tóxicos y procesos de alta energía para producir. nanocables proteína también son más estables en agua o fluidos corporales, una característica importante para aplicaciones biomédicas. Para este trabajo, los investigadores cizalla nanocables las bacterias se utiliza de modo que sólo la proteína conductora, añade.

Fu dice que él y Yao se había propuesto poner los nanocables purificados a prueba, para ver lo que son capaces de a diferentes voltajes, por ejemplo. Experimentaron con un patrón de impulsos de encendido y apagado de la carga positiva-negativa enviada a través de un diminuto hilo de metal en un memristor, lo que crea un interruptor eléctrico.

Se utilizó un hilo de metal porque nanocables de proteínas facilitan la reducción de metales, el cambio de propiedades de reactividad ión metálico y de transferencia de electrones. Preciosa dice esta capacidad microbiana no es sorprendente, ya que los nanocables bacterianos salvaje respirar y reducir químicamente los metales para obtener su energía de la forma en que respiramos oxígeno.

Como los pulsos de encendido y apagado crean cambios en los filamentos de metal, nuevo ramificación y conexiones se crean en el pequeño dispositivo, que es 100 veces más pequeño que el diámetro de un cabello humano, Yao explica. Se crea un efecto similar al aprendizaje, nuevas conexiones, en un cerebro real. Y añade: "Se puede modular la conductividad, o la plasticidad de la sinapsis nanocables-memristor por lo que puede emular componentes biológicos para la computación cerebral inspirado. En comparación con un ordenador convencional, este dispositivo tiene una capacidad de aprendizaje que no está basada en software. "

Fu recuerda: "En los primeros experimentos que hicimos, el rendimiento de nanocables no era satisfactorio, pero fue suficiente para nosotros para seguir adelante." Más de dos años, vio una mejora hasta que un día fatídico en que los ojos de él y de Yao estaban clavados por las mediciones de tensión que aparece en una pantalla de ordenador.

"Recuerdo el día que vimos esta gran rendimiento. Vimos el ordenador como barrido de voltaje actual se está midiendo. Se siguió haciendo más y más abajo y nos dijo que sí, 'Wow, que está funcionando.' Fue muy sorprendente y muy alentador ".

Fu, Yao, Lovely y sus colegas planean dar continuidad a este descubrimiento con más investigación sobre los mecanismos, ya "explorar a fondo la química, la biología y la electrónica" de nanocables de proteínas en memristors, Fu dice, además de posibles aplicaciones, que pueden incluir un dispositivo de controlar la frecuencia cardiaca, por ejemplo. Yao añade, "Esto ofrece esperanza en la posibilidad de que algún día este dispositivo puede hablar con neuronas reales en los sistemas biológicos."