Ученые приблизились к созданию нейроморфных компьютеров — Naked Science
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.
10 часов назад
Александр Березин

СМИ всего мира принялись рассказывать, что новые штаммы возникли из-за ослабления ограничений, снятия масок, а то и под воздействием вакцин. Якобы те оказали эволюционное давление, заставляющее вирус обходить вакцинную защиту. Увы, реальная биология указывает на совсем иную — и более устрашающую — картину. Разбираемся в деталях.

30 июля
Мария Азарова

Генеральный конструктор «Энергии» и руководитель полета российского сегмента МКС Владимир Соловьев назвал причину незапланированного включения двигателей нового модуля «Наука», из-за которого станцию развернуло на 45 градусов.

31 июля
Василий Парфенов

Изучение загадочной короны черной дыры, образованной рентгеновским излучением, преподнесло интересное открытие. Космические телескопы XMM-Newton и NuSTAR смогли «увидеть» свет, отраженный веществом сразу позади невероятно массивного объекта. И хотя это очередной раз подтверждает общую теорию относительности, про основной объект исследований ученые почти не получили новых данных.

27 июля
Сергей Васильев

Окаменелости возрастом более 3,4 миллиарда лет могут быть остатками микробов-архей, живших и выделявших метан у гидротермальных источников на дне ископаемого моря.

25 июля
Мария Азарова

Ученые подтвердили связь между коронавирусной инфекцией и снижением когнитивных способностей на основе анализа данных более чем 81 тысячи человек.

28 июля
Мария Азарова

Член Северо-Западной организации Федерации космонавтики России Александр Хохлов рассказал о проблемах, сопровождающих модуль «Наука» на пути к МКС, и объяснил, почему на долгожданную стыковку будет всего одна попытка.

25 июля
Александр Березин

До массовой термоядерной энергетики 20 лет — и всегда будет 20 лет. Это незатейливая шутка сама стала старой еще 20 лет назад. Общество расстраивается от того, что термояд все никак не могут вывести на промышленный уровень. И лишь Илон Маск считает, что термоядерный реактор вовсе не нужен. Внимательный анализ показывает, что он прав. Даже если все технические проблемы термоядерной энергетики чудесным образом разрешатся, у нее не будет шансов вытеснить конкурентов. Как так вышло, и что тогда спасет человечество от энергетического кризиса?

13 июля
Ольга Иванова

Международная команда ученых идентифицировала ДНК из почвы в грузинской пещере. Благодаря этому исследователям удалось восстановить геном человека возрастом 25 тысяч лет, не имея никаких скелетных останков.

8 июля
Василий Парфенов

Подросток из бельгийского города Остенде стал вторым самым юным обладателем высшего образования в обозримой истории. Он с отличием окончил курс физики в Антверпенском университете и теперь собирается защитить магистерскую степень, а затем и докторскую диссертацию в этой области. Цель у него простая и понятная: увеличение продолжительности жизни человека вплоть до полного бессмертия за счет замены частей тела и органов механическими или искусственными.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: