Впервые протестирована компьютерная система, работающая как мозг (с водой и ионами)
Графическое изображение искусственного синапса, созданного в рамках нового исследования. Синапс (обведен фиолетовым) состоит из коллоидных сфер, соединенных наноканалами
Ученые создали искусственный синапс, который с эффективностью передает информацию, используя воду и ионы, аналогично биологическим синапсам в человеческом мозге. Это первое экспериментальное подтверждение концепции для так называемых "ионтронных нейроморфных" вычислительных систем, которые направлены на улучшение энергетической эффективности традиционных компьютеров.
Исследования в области нейроморфных вычислений, имитирующих процесс обработки информации в мозге, проводятся с целью уменьшения энергопотребления компьютеров. Эти системы отходят от стандартной двоичной обработки данных, применяя аналоговый подход, который больше напоминает работу мозга. С учетом того, что энергопотребление компьютеров растет экспоненциально из-за внедрения новых технологий, таких как блокчейн и искусственный интеллект, поиск энергоэффективных решений становится особенно актуальным.
Мемристоры, пассивные электронные компоненты, которые ограничивают ток в электрической цепи и способны сохранять информацию без внешнего питания, изучаются как потенциальные аналоги биологических синапсов. Они передают нервные сигналы между нейронами с помощью ионных нейротрансмиттеров. Однако, из-за своего полупроводникового строения, традиционные мемристоры ограничены в возможности передавать химические сигналы и работают в более узком диапазоне условий по сравнению с биологическими синапсами.
Чтобы преодолеть эти ограничения, исследовательские группы из Утрехтского университета (Нидерланды) и Университета Соганг (Южная Корея) разработали новую концепцию ионтронных нейроморфных вычислений. Эта система, вдохновленная не только структурой синапсов, но и водной средой, в которой они функционируют, использует жидкие ионы для передачи информации, предлагая такую же функциональность и адаптивность, как у натуральных синапсов.
"Этот прорыв открывает путь к созданию компьютеров, способных не только имитировать механизмы коммуникации человеческого мозга, но и использовать аналогичную среду для этого", — отметил Тим Камсма в пресс-релизе Утрехтского университета.
Ионтронные мемристоры могут действовать как универсальные хранилища информации, которые управляются химически. Последние исследования также показали, что они могут быть интегрированы в биологические системы, точно воспроизводя поведение естественных синапсов.
Этот новый тип устройства может передавать информацию на протяжении длительных периодов времени, что упрощает его интеграцию в компьютерные системы. "Мы впервые показали, что сложную информацию можно передавать с использованием воды и ионов соли", — пояснил Камсма.
Созданный аппарат размером 200 микрометров в длину и 150 микрометров в ширину содержит конусообразный микроканал, заполненный ионным раствором. При подаче электрического импульса ионы перемещаются через канал, изменяя ионную концентрацию в растворе и, таким образом, проводимость канала. Это имитирует изменения в связях между естественными синапсами.
Несмотря на прогресс, ионтронные нейроморфные вычисления все еще находятся на начальном этапе развития. Возможные приложения этой технологии остаются предметом дискуссий, но, как отметил Камсма, "наши результаты являются значительным шагом в направлении исследования потенциала использования жидких ионных каналов для имитации динамики мозга".
Микроскопическое изображение искусственного синапса