Forskere observerer hjernelignende adfærd i nanoskalaenheder

UCLA -forskerne James Gimzewski og Adam Stieg er en del af et internationalt forskerhold, der har taget et betydeligt skridt mod målet om at skabe tænkemaskiner.

Ledet af forskere ved Japans National Institute for Materials Science, teamet skabte en eksperimentel enhed, der udviste egenskaber, der var analoge med visse adfærd i hjernen - læring, udenad, glemmer, vågenhed og søvn. Papiret, udgivet i Videnskabelige rapporter , beskriver et netværk i en tilstand af kontinuerlig flux.

"Dette er et system mellem orden og kaos, på kanten af ​​kaos, "sagde Gimzewski, en fremragende UCLA -professor i kemi og biokemi, medlem af California NanoSystems Institute ved UCLA og medforfatter af undersøgelsen. "Den måde, hvorpå enheden konstant udvikler sig og skifter, efterligner den menneskelige hjerne. Den kan komme med forskellige former for adfærdsmønstre, der ikke gentager sig selv."

Forskningen er et tidligt skridt på en vej, der i sidste ende kan føre til computere, der fysisk og funktionelt ligner hjernen - maskiner, der muligvis kan løse problemer, som nutidige computere kæmper med, og det kan kræve meget mindre strøm end nutidens computere gør.

Enheden, forskerne undersøgte, er lavet af et virvar af nanotråde i sølv - med en gennemsnitlig diameter på kun 360 nanometer. (Et nanometer er en milliarddel af en meter.) Nanotråde var belagt i en isolerende polymer med en tykkelse på cirka 1 nanometer. Samlet set, selve enheden målte omkring 10 kvadratmillimeter - så lille, at det ville tage 25 af dem at dække en skilling.

Tilladt at tilfældigt samle sig på en siliciumskive, nanotrådene dannede stærkt sammenkoblede strukturer, der bemærkelsesværdigt ligner dem, der danner neocortex, den del af hjernen, der er involveret i højere funktioner såsom sprog, opfattelse og erkendelse.

Et træk, der adskiller nanotrådnetværket fra konventionelle elektroniske kredsløb, er, at elektroner, der strømmer gennem dem, får netværkets fysiske konfiguration til at ændre sig. I undersøgelsen, elektrisk strøm fik sølvatomer til at migrere inde fra polymerbelægningen og danne forbindelser, hvor to nanotråde overlapper hinanden. Systemet havde omkring 10 millioner af disse kryds, som er analoge med synapser, hvor hjerneceller forbinder og kommunikerer.

Forskerne fastgjorde to elektroder til det hjernelignende net for at profilere, hvordan netværket fungerede. De observerede "fremtrædende adfærd, "hvilket betyder, at netværket viste egenskaber som en helhed, der ikke kunne tilskrives de enkelte dele, der udgør det. Dette er en anden egenskab, der får netværket til at ligne hjernen og adskiller det fra konventionelle computere.

Efter at strømmen flød gennem netværket, forbindelserne mellem nanotråde vedvarede i op til et minut i nogle tilfælde, som lignede læringsprocessen og memoriseringen i hjernen. Andre gange, forbindelserne stopper brat, efter at afgiften er afsluttet, efterligner hjernens proces med at glemme.

I andre forsøg, forskergruppen fandt ud af, at med mindre strøm der strømmer ind, enheden udviste adfærd, der svarer til, hvad neurovidenskabsfolk ser, når de bruger funktionel MR -scanning til at tage billeder af hjernen af ​​en sovende person. Med mere kraft, nanowirens netværks adfærd svarede til den i den vågne hjerne.

Avisen er den seneste i en række publikationer, der undersøger nanotrådnetværk som et hjerneinspireret system, et forskningsområde, som Gimzewski hjalp med at foregå sammen med Stieg, en UCLA -forsker og en associeret direktør for CNSI.

"Vores tilgang kan være nyttig til at generere nye typer hardware, der både er energieffektive og i stand til at behandle komplekse datasæt, der udfordrer grænserne for moderne computere, sagde Stieg, medforfatter af undersøgelsen.

Den grænse-kaotiske aktivitet i nanotrådnetværket ligner ikke kun signalering i hjernen, men også andre naturlige systemer såsom vejrmønstre. Det kan betyde, at med videre udvikling, fremtidige versioner af enheden kan hjælpe med at modellere sådanne komplekse systemer.

I andre forsøg, Gimzewski og Stieg har allerede lokket en nanotråde af sølv til med succes at forudsige statistiske tendenser i trafikmønstre i Los Angeles baseret på tidligere års trafikdata.

På grund af deres ligheder med hjernens indre virke, fremtidige enheder baseret på nanotrådteknologi kunne også demonstrere energieffektivitet som hjernens egen behandling. Den menneskelige hjerne arbejder på strøm, der stort set svarer til, hvad der bruges af en 20 watt glødepære. Derimod, computerservere, hvor arbejdsintensive opgaver finder sted-fra træning til maskinlæring til at udføre internetsøgninger-kan bruge det, der svarer til mange husstanders energi, med tilhørende kulstofaftryk.

"I vores studier, vi har en bredere mission end bare at omprogrammere eksisterende computere, "Gimzewski sagde." Vores vision er et system, der i sidste ende vil være i stand til at håndtere opgaver, der er tættere på den måde, mennesket fungerer på. "