Forskere løfter sløret for elektronik, der efterligner den menneskelige hjerne i effektiv læring

For kun 10 år siden, forskere, der arbejder på, hvad de håbede ville åbne en ny grænse for neuromorfisk databehandling, kunne kun drømme om en enhed, der bruger miniatureværktøjer kaldet memristorer, der ville fungere/fungere som rigtige hjernesynapser.

Men nu har et hold ved University of Massachusetts Amherst opdaget, mens de er på vej til bedre at forstå protein nanotråde, hvordan man bruger disse biologiske, elektricitetsledende filamenter til at lave en neuromorf memristor, eller "hukommelsestransistor, " enhed. Den kører ekstremt effektivt på meget lav strøm, som hjerner gør, at transportere signaler mellem neuroner. Detaljer er inde Naturkommunikation .

Som førsteforfatter Tianda Fu, en ph.d. kandidat i el- og computeringeniør, forklarer, en af ​​de største forhindringer for neuromorfisk databehandling, og en der fik det til at virke uopnåeligt, er, at de fleste konventionelle computere kører på over 1 volt, mens hjernen sender signaler kaldet aktionspotentialer mellem neuroner på omkring 80 millivolt - mange gange lavere. I dag, et årti efter tidlige eksperimenter, memristorspænding er blevet opnået i et område svarende til konventionel computer, men at komme under det virkede usandsynligt, tilføjer han.

Fu rapporterer, at brug af protein nanotråde udviklet på UMass Amherst fra bakterien Geobacter af mikrobiolog og medforfatter Derek Lovely, han har nu udført eksperimenter, hvor memristorer har nået neurologiske spændinger. Disse tests blev udført i laboratoriet af elektrisk og computeringeniørforsker og medforfatter Jun Yao.

Yao siger, "Det er første gang, at en enhed kan fungere på samme spændingsniveau som hjernen. Folk turde nok ikke engang håbe på, at vi kunne skabe en enhed, der er lige så strømbesparende som de biologiske modstykker i en hjerne. men nu har vi realistiske beviser for computeregenskaber med ultra-lav effekt. Det er et konceptgennembrud, og vi tror, ​​det vil forårsage en masse udforskning af elektronik, der fungerer i det biologiske spændingsregime."

Lovely påpeger, at Geobacters elektrisk ledende protein nanotråde giver mange fordele i forhold til dyre silicium nanotråde, som kræver giftige kemikalier og højenergiprocesser at producere. Protein nanotråde er også mere stabile i vand eller kropsvæsker, en vigtig egenskab for biomedicinske applikationer. Til dette arbejde, forskerne skærer nanotråde af bakterierne, så kun det ledende protein bruges, tilføjer han.

Fu siger, at han og Yao havde sat sig for at sætte de rensede nanotråde igennem deres skridt, for at se, hvad de er i stand til ved forskellige spændinger, for eksempel. De eksperimenterede med et pulserende on-off mønster af positiv-negativ ladning sendt gennem en lille metaltråd i en memristor, som skaber en elektrisk kontakt.

De brugte en metaltråd, fordi protein nanotråde letter metalreduktion, ændring af metalionreaktivitet og elektronoverførselsegenskaber. Lovely siger, at denne mikrobielle evne ikke er overraskende, fordi vilde bakterielle nanotråde ånder og kemisk reducerer metaller for at få deres energi, som vi indånder ilt.

Da tænd-sluk-impulserne skaber ændringer i metalfilamenterne, nye forgreninger og forbindelser oprettes i den lille enhed, som er 100 gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår, Yao forklarer. Det skaber en effekt, der ligner læring – nye forbindelser – i en rigtig hjerne. Han tilføjer, "Du kan modulere ledningsevnen, eller plasticiteten af ​​nanotråd-memristor-synapsen, så den kan efterligne biologiske komponenter til hjerne-inspireret computing. Sammenlignet med en konventionel computer, denne enhed har en indlæringsevne, der ikke er softwarebaseret."

Fu husker, "I de første eksperimenter, vi lavede, nanowire-ydelsen var ikke tilfredsstillende, men det var nok for os til at fortsætte." Over to år, han så forbedring indtil en skæbnesvanger dag, hvor hans og Yaos øjne blev nittet af spændingsmålinger, der dukkede op på en computerskærm.

"Jeg kan huske den dag, vi så denne fantastiske præstation. Vi så computeren, mens strømspændingen blev målt. Den blev ved med at gå ned og ned, og vi sagde til hinanden:'Wow, det virker.' Det var meget overraskende og meget opmuntrende."

Fu, Yao, Lovely og kolleger planlægger at følge denne opdagelse op med mere forskning i mekanismer, og at "udforske kemien fuldt ud, biologi og elektronik" af protein nanotråde i memristorer, Fu siger, plus mulige anvendelser, som kan omfatte en enhed til at overvåge puls, for eksempel. Yao tilføjer, "Dette giver håb om gennemførligheden af, at denne enhed en dag kan tale med faktiske neuroner i biologiske systemer."