Вчені створили перший комп’ютер, схожий на мозок, використовуючи воду та сіль

Фізикам-теоретикам з Утрехтського університету разом з фізиками-експериментаторами з Університету Соган у Південній Кореї вдалося побудувати штучний синапс. Цей синапс працює з водою та сіллю та є першим доказом того, що система, яка використовує те саме середовище, що й наш мозок, може обробляти складну інформацію. Результати були опубліковані в науковому журналі Proceedings of the National Academy of Sciences.

Прагнучи підвищити енергоефективність звичайних комп’ютерів, вчені давно зверталися до людського мозку за натхненням. Вони прагнуть наслідувати його надзвичайну здатність різними способами. Ці зусилля призвели до розробки мозкових комп’ютерів, які відрізняються від традиційної бінарної обробки й охоплюють аналогові методи, схожі на наш мозок. Однак, хоча наш мозок працює, використовуючи воду та розчинені частинки солі, які називаються іонами, як середовище, більшість сучасних комп’ютерів, натхненних мозком, покладаються на звичайні тверді матеріали.

У зв’язку з цим виникає запитання: чи не могли б ми досягти більш точного відтворення роботи мозку, використовуючи те саме середовище? Ця інтригуюча можливість лежить в основі галузі іонтронних нейроморфних обчислень, що розвивається.

Штучний синапс

В останньому дослідженні, опублікованому в PNAS , вчені вперше продемонстрували систему, засновану на воді та солі, яка демонструє здатність обробляти складну інформацію, віддзеркалюючи функціональність нашого мозку. Центральне місце в цьому відкритті займає мініатюрний пристрій розміром 150 на 200 мікрометрів, який імітує поведінку синапсу — важливого компонента в мозку, відповідального за передачу сигналів між нейронами.

Тім Камсма, доктор філософії Інституту теоретичної фізики та Математичного інституту Утрехтського університету та провідний автор дослідження, висловлює своє захоплення, заявляючи: «Хоча штучні синапси, здатні обробляти складну інформацію, вже існують на основі твердих матеріалів, тепер ми вперше показуємо, що цей подвиг також можна здійснити за допомогою води та солі». Він наголошує: «Ми ефективно відтворюємо поведінку нейронів за допомогою системи, яка використовує те саме середовище, що й мозок».

«Можливо, це прокладе шлях для обчислювальних систем, які точніше відтворюють надзвичайні можливості людського мозку». — ТімТім Камсма, доктор філософії та провідний автор

Міграція іонів

Пристрій, розроблений вченими в Кореї та званий іонтронним мемристором, містить конусоподібний мікроканал, заповнений розчином води та солі. Після отримання електричних імпульсів іони всередині рідини мігрують через канал, що призводить до змін концентрації іонів. Залежно від інтенсивності (або тривалості) імпульсу провідність каналу відповідно регулюється, віддзеркалюючи посилення або послаблення зв’язків між нейронами. Ступінь зміни провідності служить вимірним представленням вхідного сигналу.

Додатковим висновком є ​​те, що довжина каналу впливає на тривалість, необхідну для розсіювання змін концентрації. «Це свідчить про можливість адаптації каналів для збереження та обробки інформації протягом різного часу, знову ж таки, як синаптичні механізми, які спостерігаються в нашому мозку», — пояснює Камсма.

Ого!

Генезис цього відкриття можна простежити до ідеї, задуманої Камсмою, який нещодавно почав своє докторське дослідження. Він перетворив цю концепцію, зосереджену навколо використання штучних іонних каналів для завдань класифікації, у надійну теоретичну модель.

«Випадково в той період наші шляхи перетнулися з дослідницькою групою в Південній Кореї, — згадує Камсма. — Вони сприйняли мою теорію з великим ентузіазмом і швидко розпочали експериментальну роботу на її основі». Примітно, що початкові висновки матеріалізувалися лише через три місяці, тісно збігаючись із прогнозами, викладеними в теоретичній основі Kamsma. «Я подумав: вау!» розмірковує він. «Надзвичайно приємно спостерігати перехід від теоретичних припущень до відчутних реальних результатів, що в кінцевому підсумку призвело до цих прекрасних експериментальних результатів».

Значний крок вперед

Камсма підкреслює фундаментальний характер дослідження, наголошуючи на тому, що іонні нейроморфні обчислення, хоч і переживають швидкий розвиток, все ще перебувають у зародковому стані. Передбачуваним результатом є комп’ютерна система, яка значно перевершить ефективність і енергоспоживання порівняно з сучасними технологіями. Проте, чи втілиться це бачення, на цей час залишається спекулятивним. З усім тим, Kamsma розглядає публікацію як значний крок вперед.

«Це являє собою важливий прогрес у напрямку комп’ютерів, здатних не тільки імітувати комунікаційні шаблони людського мозку, але й використовувати те саме середовище», — стверджує він. «Можливо, це зрештою прокладе шлях для обчислювальних систем, які точніше відтворюють надзвичайні можливості людського мозку».