20.04.2020
Денис Гордеев

Ученые приблизились к созданию нейроморфных компьютеров

4.8

Устройство, созданное из бактериальных белковых структур и металлических электродов, продемонстрировало способность к обучению и созданию новых связей.

нейроморфное устройство
Авторы работы считают свою разработку прорывной / UMass Amherst

Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте создали нейроморфный мемристор на основе белковых нанонитей. Это своеобразная модификация искусственного мозга, которая способна передавать сигналы при очень низком напряжении — порядка нескольких десятков милливольт. Статья об этом опубликована в Nature Communications.

По словам ведущего автора работы Тианда Фу, одним из самых больших препятствий для создания нейроморфных вычислительных устройств является именно то, что большинство обычных компьютеров работают при напряжении выше одного вольта. При этом напряжение сигналов, которые наш мозг направляет по нейронам (так называемые потенциалы действия), — порядка 80 милливольт. Благодаря использованию белковых нанонитей Фу и его коллеги смогли создать мемристоры, которые работают при «неврологических» значениях напряжения.

Электропроводящие протеиновые нити для создания устройства были получены из белков бактерий Geobacter sulfurreducens. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с нанопроводами из кремния: так, белковые наноструктуры более стабильны в водных растворах и биологических жидкостях, а для их производства не требуются высокоэнергетические процессы и токсичные химические вещества.

«Впервые [вычислительное] устройство может работать при том же уровне напряжения, что и мозг, — говорит соавтор исследования Цзюнь Яо, специалист по вычислительной технике и электронике. — Люди, вероятно, даже не осмеливались надеяться, что мы сможем создать устройство, которое будет столь же энергоэффективным, <…> но теперь у нас есть реальные доказательства вычислительных мощностей со сверхнизким энергопотреблением». По мнению Цзюня Яо, их разработка — настоящий прорыв в области компьютерной техники.

Микрофотографии мемристорного синапса до того, как на устройство подавались электрические сигналы(a I), после того, как подавались электрические сигналы (a II) и после удаления белков ультразвуком (a III). Рисунок b показывает спектр поглощения белковых структур, полученный при помощи Фурье-спектроскопии. На рисунке с показано напряжение работы устройства при различной относительной влажности. На рисунке d показана вольтамперометрическая характеристика устройства для двух различных типов катодов / Fu, Yao, Lovley et al., Nature Communications, 2020.

В основе работы мемристора лежит способность белков G.sulfurreducens индуцировать электрохимическое восстановление металлов. Устройство состоит из двух серебряных электродов на силикатной подложке; пространство между электродами заполнено бактериальными наноструктурами. Подача сигналов на электроды приводила к тому, что в нанонитях возникали новые соединения и разветвления размером в сотни раз меньше диаметра человеческого волоса.

Этот процесс отдаленно напоминает возникновение новых связей при обучении в мозге человека. «Можно модулировать проводимость или пластичность нановолоконно-мемристорного синапса, чтобы он мог эмулировать биологические компоненты для вычислений, основанных на модели мозга, — говорит Цзюнь Яо. — По сравнению с классическим компьютером это устройство обладает способностью к обучению, которая не обусловлена программным обеспечением».

В дальнейшем создатели нового мемристора планируют «в полной мере изучить химию, биологию и электронику» белковых нанопроводов в мемристорах, чтобы создать устройства, которые могли бы служить полноценным «продолжением нейронов в мозге».

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Вчера, 05:45
Мария Азарова

Более низкие уровни интерлейкина-6 — маркера системного воспаления — выявили у людей, которые считали, что готовы предоставлять больше поддержки окружающим, чем получать взамен.

Позавчера, 21:01
Илья Ведмеденко

Специалисты «Иркута» собрали первый МС-21-300, имеющий крыло из композиционных материалов российского производства. Вскоре должен состояться его первый полет.

Вчера, 17:14
Ольга Иванова

Ученые из США пришли к выводу: любители электронных сигарет в два раза чаще страдают эректильной дисфункцией, чем некурящие люди.

26 ноября
Анастасия Михалева

За всю историю исследования в космосе побывали более 500 человек. В океан на глубину более 10 километров спускались всего трое. Мы до сих пор знаем о Мировом океане и его обитателях недопустимо мало.

26 ноября
Ольга Иванова

Исследовательская группа из Великобритании провела эксперимент и выяснила, какие факторы могут быть причиной удовольствия, получаемого от объятий.

29 ноября
Мария Азарова

Ученые из США представили альтернативный молекулярный механизм образования меланоцитарного невуса, который согласуется как с экспериментальными, так и с клиническими наблюдениями.

3 ноября
Ольга Иванова

Исследований на эту тему, как ни странно, мало, хотя предположений — великое множество. По мнению ученых из Венгрии, одна из причин такого поведения — высокая концентрация внимания на речи хозяина, а еще это означает, что собака слышит знакомое слово.

12 ноября
Мария Азарова

Кошки оказывались сбиты с толку, когда их человек, как им казалось, «телепортировался» в новое, неожиданное место. Однако они не реагировали таким же образом на чужих людей или других животных.

25 ноября
НИУ ВШЭ

Мобильные ученые публикуются в индексируемых журналах в два раза чаще. К такому выводу пришли исследователи из НИУ ВШЭ.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: