Eletrônicos que imitam o cérebro humano na aprendizagem eficiente

Mas agora uma equipe da Universidade de Massachusetts Amherst descobriu, enquanto a caminho de nanofios de proteína melhor entendimento, como usar esses, electricidade realização de filamentos biológicos para fazer um memristor neuromorphic, ou "transistor de memória," dispositivo. Ele é executado de forma extremamente eficiente de energia muito baixo, como cérebros fazer, para transportar sinais entre os neurônios. Os detalhes estão na Nature Communications.

Como primeiro autor Tianda Fu, um Ph.D. candidato em engenharia elétrica e computação, explica, um dos maiores obstáculos para a computação neuromorphic, e que fez parecer inalcançável, é que os computadores mais convencionais operam em mais de 1 volt, enquanto o cérebro envia sinais chamados potenciais de ação entre os neurônios em torno de 80 milivolts, muitas vezes menor. Hoje, uma década após as primeiras experiências, tensão memristor foi alcançado na faixa semelhante ao computador convencional, mas ficando abaixo do que parecia improvável, acrescenta.

Fu relata que o uso de nanofios de proteína desenvolvidos na UMass Amherst a partir da bactéria Geobacter pelo microbiologista e co-autor Derek Lovely, ele já realizou experimentos onde memristors atingiram tensões neurológicas. Esses testes foram realizados no laboratório de elétrica e de computador pesquisador de engenharia e co-autor junho Yao.

Yao diz: "Esta é a primeira vez que uma função do dispositivo pode, ao mesmo nível de tensão como o cérebro. As pessoas provavelmente nem sequer se atrevem a esperança de que poderíamos criar um dispositivo que é tão eficiente de energia como as contrapartes biológicas em um cérebro, mas agora temos provas realista das capacidades de ultra-baixo poder de computação. é um avanço conceito e pensamos que vai causar uma série de exploração em eletrônica que trabalham em regime biológico tensão."

Adorável aponta que nanofios de proteína condutoras de Geobacter oferecem muitas vantagens sobre nanofios de silício caros, que exigem produtos químicos tóxicos e processos de alta energia para produzir. nanofios de proteínas também são mais estáveis ​​em água ou fluidos corporais, uma característica importante para aplicações biomédicas. Para este trabalho, os pesquisadores cortar nanofios as bactérias tão somente a proteína condutora é usada, acrescenta.

Fu diz que ele e Yao tinha a intenção de colocar os nanofios purificados com seus ritmos, para ver o que eles são capazes de, em diferentes tensões, por exemplo. Eles experimentaram uma pulsação padrão on-off de carga positiva-negativa enviada através de um fio de metal minúsculo em um memristor, que cria um interruptor elétrico.

Eles usaram um fio de metal porque os nanofios de proteína facilitar a redução de metal, mudando reactividade de iões de metal e propriedades de transferência de electrões. Adorável diz essa capacidade microbiana não é surpreendente, porque nanofios bacterianas selvagens respirar e quimicamente reduzir metais para obter sua energia da maneira que respirar oxigênio.

Como os pulsos on-off criar alterações nos filamentos de metal, nova ramificação e ligações são criadas na pequena dispositivo, que é 100 vezes menor do que o diâmetro de um fio de cabelo humano, Yao explica. Ele cria um efeito semelhante ao aprendizado, novas conexões, em um cérebro real. Ele acrescenta: "Você pode modular a condutividade, ou a plasticidade da sinapse nanofio-memristor para que ele possa imitar componentes biológicos para a computação cérebro-inspirado. Comparado a um computador convencional, este dispositivo tem uma capacidade de aprendizagem que não é baseado em software. "

Fu lembra: "Nos primeiros experimentos que fizemos, o desempenho nanofio não foi satisfatório, mas foi o suficiente para nós para continuar." Durante dois anos, ele viu melhoria até que um dia fatídico em que os olhos dele e de Yao estavam fixos por medições de tensão que aparecem na tela do computador.

"Lembro-me do dia em que viu esta grande performance. Nós assistimos o computador como varredura atual tensão estava sendo medido. Ele continuou fazendo para baixo e para baixo e dissemos uns aos outros, 'Uau, ele está trabalhando.' Foi muito surpreendente e muito encorajador."

Fu, Yao, encantador e colegas plano para acompanhar esta descoberta com mais pesquisas sobre os mecanismos e "explorar plenamente a química, biologia e eletrônica" de nanofios de proteínas em memristors, Fu diz, além de aplicações possíveis, que podem incluir um dispositivo para monitorar a freqüência cardíaca, por exemplo. Yao acrescenta: "Isto oferece esperança na viabilidade que um dia este dispositivo pode falar com neurônios reais em sistemas biológicos."