Elektronika naśladujące mózg ludzki w efektywnej nauce

Teraz jednak zespół z University of Massachusetts Amherst odkrył, podczas gdy na ich drodze do lepszego zrozumienia nanodrutów białkowych, jak korzystać z tych biologicznych, włókna elektrycznej prowadzenia dokonać neuromorficznych MEMRYSTOR lub „tranzystor”, pamięć urządzenia. To działa bardzo skutecznie na bardzo małej mocy, jak mózgi zrobić, do przesyłania sygnałów między neuronami. Szczegóły znajdują się w Nature Communications.

Jako pierwszy autor Tianda Fu, Ph.D. kandydat w elektrotechnice i komputerowego, wyjaśnia jeden z największych przeszkód do neuromorficznych informatyki, i jeden, który sprawiał, że wydają się nieosiągalne, jest to, że najbardziej konwencjonalne komputery działają na ponad 1 wolta, podczas gdy mózg wysyła sygnały zwane potencjały czynnościowe między neuronami w około 80 miliwoltów, wiele razy niższe. Dziś, dziesięć lat po pierwszych doświadczeniach, napięcie MEMRYSTOR został osiągnięty w zakresie podobnym do tradycyjnego komputera, ale coraz niżej, co wydawało nieprawdopodobne, dodaje.

Fu informuje, że używając nanodrutów białkowe opracowanych na UMass Amherst z bakterii geobacter przez mikrobiologa i współautorem Derek Piękny, on teraz prowadzone eksperymenty gdzie Memristors osiągnęły napięć neurologiczne. Badania te zostały przeprowadzone w laboratorium elektrycznej i inżynieria komputerowa badacz i współautor Jun Yao.

Yao mówi: „To jest po raz pierwszy, że funkcja może urządzenie na tym samym poziomie napięcia jak mózg. Ludzie prawdopodobnie nawet nie odważył się nadziei, że możemy stworzyć urządzenie, które jest tak energooszczędne jak odpowiedniki biologicznej w mózg, ale teraz mamy realistyczną dowód możliwości ultra-niskiej mocy obliczeniowej. jest to pojęcie przełom i uważamy, że to będzie powodować wiele badań w elektronice, że praca w systemie napięcia biologicznej.”

Piękny wskazuje, że elektrycznie przewodzące nanodruty białko geobacter oferują wiele korzyści w stosunku do drogich nanodrutów krzemu, które wymagają toksycznych substancji i procesów o wysokiej energii w produkcji. nanodruty białkowe również są bardziej stabilne w wodzie lub płynach ustrojowych ważną cechą dla zastosowań biomedycznych. Dla tej pracy, naukowcy ścinanie nanodrutów off bakterii więc tylko białko przewodzący jest używany, dodaje.

Fu mówi, że on i Yao wyruszył umieścić oczyszczony nanodrutów przez ich kroki, aby zobaczyć, jakie są w stanie przy różnych napięciach, na przykład. Eksperymentowali z pulsującym włączania-wyłączania struktury dodatniego ładunku ujemnym wysłanego przez niewielki metalowy gwint w MEMRYSTOR który tworzy przełącznik elektryczny.

wykorzystali metalowy gwint ponieważ nanodruty białko ułatwić redukcję metali, zmieniając właściwości reaktywności jonów metali i przenoszenia elektronów. Piękny mówi ta umiejętność mikrobiologiczna nie jest zaskakujące, ponieważ dzikie nanodruty bakteryjne oddychać i chemicznej redukcji metali, aby uzyskać ich energia sposób możemy oddychać tlenem.

Jako impulsy na starcie tworzenia zmian włókien metalowych, nowe rozgałęzienia i połączenia są tworzone w małe urządzenie, które jest 100 razy mniejsza niż średnica ludzkiego włosa, Yao wyjaśnia. Tworzy efekt podobny do nauki, nowych połączeń, w prawdziwym mózgu. Dodaje: „Można modulować przewodności lub plastyczność synaps nanodrutu-MEMRYSTOR więc może emulować składniki biologiczne dla mózgu inspirowane computing. W porównaniu do konwencjonalnego komputera, urządzenie posiada zdolność uczenia się, które nie są oparte na oprogramowaniu. "

Fu wspomina: „W pierwszych eksperymentach my, wydajność nanodrutu nie było zadowalające, ale to było wystarczająco dużo dla nas, by iść naprzód.” W ciągu dwóch lat, widział poprawę aż pewnego pamiętnego dnia, kiedy jego oczy Yao były nitowane pomiary napięć pojawiających się na ekranie komputera.

„Pamiętam dzień, widzieliśmy to wspaniałe osiągi. Obserwowaliśmy komputer jako bieżącym cyklu napięcia była mierzona. To robi przechowywane w dół iw dół i powiedział do siebie:«Wow, to działa.» To było bardzo zaskakujące i bardzo zachęcające.”

Fu, Yao, Lovely i współpracownicy planują kontynuować to odkrycie z dalszych badań nad mechanizmami, a także „w pełni zbadać chemii, biologii i elektroniki” z nanodrutów białkowych w Memristors Fu mówi, plus ewentualne wnioski, które mogą obejmować urządzenia do monitor pracy serca, na przykład. Yao dodaje: „Daje to nadzieję w możliwość, że jeden dzień to urządzenie może komunikować się z rzeczywistych neuronów w układach biologicznych.”