Искусственный синапс на воде и соли — реальность. Шаг к нейроморфным вычислениям

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com
| Рассуждения | Наука и космос

Человеческий мозг — это вершина эволюции, загадочный лабиринт из нейронов и синапсов, способный на невероятные вычисления и творчество. Мы разгадали тайны космоса, создали искусственный интеллект, но до сих пор не можем полностью понять, как работает эта трехфунтовая масса, заключенная в черепной коробке. Ученые, стремясь разгадать секреты мозга и создать более эффективные компьютеры, обратили внимание на саму природу этой биологической машины. И что же они обнаружили? Возможно, ключ к революции в компьютерных технологиях лежит в воде и соли — тех самых веществах, что составляют основу нашего мышления.

Художественное видение нейроморфного процессора
Автор: Designer

Традиционные компьютеры, работающие на основе кремниевых чипов и двоичного кода, достигли своего предела. Энергопотребление растет, а эффективность падает. В поисках выхода ученые обратились к нейроморфным вычислениям — области, которая стремится создать компьютеры, работающие по принципам мозга. Но вместо того, чтобы копировать структуру нейронных сетей, исследователи из Утрехтского университета и университета Соган пошли другим путем. Они решили использовать саму среду, в которой функционирует наш мозг — воду и растворенные в ней соли.

И им это удалось! В лаборатории родился искусственный синапс — крошечное устройство, имитирующее поведение связей между нейронами. Вместо электронов, бегущих по проводам, здесь движутся ионы — заряженные частицы, переносящие информацию. Изменяя концентрацию ионов, ученые добились эффекта, аналогичного усилению или ослаблению синаптических связей, что лежит в основе обучения и памяти.

(А) Схема (слева) и фотографии (справа) устройства. Канал соединяет два резервуара с водным электролитом KCl и включает в себя жесткую коллоидную структуру, образуя сеть наноканалов между коллоидами. (B) Кривая I—V вв. установившемся режиме, наблюдаемая в экспериментах (синий) и предсказанная нашей теорией (красный), демонстрирующая сходное свойство выпрямления тока. (C) Динамическая I-V-кривая в ответ на синусоидальное напряжение на канале (вверху, зеленый). Теория (внизу, красный) и эксперименты (внизу, синий) демонстрируют схожую петлю гистерезиса с защемлением. (D) Упрощенная схема передачи синаптического сигнала. Потенциал действия вызывает высвобождение нейромедиатора (не показан) из пресинаптического нейрона (оранжевый), который связывается с рецепторами постсинаптического нейрона (желтый), потенциально вызывая транспорт ионов и изменяя его мембранный потенциал. Динамическая проводимость канала аналогична синаптической силе. (E) Измерения тока (синий) при подаче четырех последовательных импульсов 5 В и пяти импульсов считывания (зеленый). (F) Особенности кратковременной пластичности (STP), наблюдаемые в канале (синий) и предсказанные теорией, где мы показываем полное (численное) решение для(красный, пунктир) и измерения, которым это соответствовало бы в эксперименте (красный, точки). Четыре последовательных импульса напряжения с меньше, чем время сохранения памяти канала приводит к облегчению (вверху) и угнетению (в середине) для импульсов и, соответственно. Кратковременная характеристика хорошо видна, когда но в этом случае кумулятивного изменения проводимости не наблюдается (внизу).
Автор: Tim M. Kamsma and Jaehyun Kim and Kyungjun Kim and Willem Q. Boon and Cristian Spitoni and Jungyul Park and René van Roij. Brain-inspired computing with fluidic iontronic nanochannels. Proceedings of the National Academy of Sciences. doi:10.1073/pnas.2320242121 CC-BY 4.0 Источник: www.pnas.org

Это открытие переворачивает наше представление о том, как может выглядеть компьютер будущего. Вместо громоздких серверов и перегретых процессоров — миниатюрные устройства, работающие на воде и соли. Вместо огромного энергопотребления — экологичная и эффективная технология. Вместо жесткой логики двоичного кода — гибкость и адаптивность живого мозга.

(A) Теоретическое предсказание (вверху) и экспериментальное наблюдение (внизу) относительного изменения проводимости в ответ наразличных возможных битовых строк, где «0» и «1» соответствуют импульсами, соответственно. Три отдельных устройства использовались для определения среднего значения проводимости и типичного изменения в ответ на каждую уникальную последовательность напряжений. (B) Изображение того, как цифра «2» может быть преобразована в пять различных битовых строк (другие цифры изображены в Приложении СИ). (C) Схема того, как число 2 из (B) преобразуется в 5 цепочек напряжения, давая 5 значений проводимости после четвертого (последнего) импульса. Проводимости и переменные из (A) были использованы для обучения однослойной полностью связаннойнейронной сети in silico, которая преобразует проводимости в классификацию числа 2. (D) Девять примеров рукописных цифр из базы данных MNIST, где (первоначальнопиксельные изображения обрезаны допиксельных изображений, шкалы серого округляются до белых или черных пикселей, а затем изображение сегментируется на 110 битовых строк. (E) Функция потерь (средние квадратичные потери) во время обучения за один раунд обучения, когда экспериментально обнаруженный шум, который экспериментально количественно определяется с помощью переменных (от устройства к устройству), найденных в нашем результате в (A), устройств не учитывается (оранжевый) и когда он учитывается (синий). (F) Матрица путаницы на тестовом наборе из 2 000 образцов, демонстрирующая общую точность 81 %, что сопоставимо с недавно полученными результатами на более традиционных платформах.
Автор: Tim M. Kamsma and Jaehyun Kim and Kyungjun Kim and Willem Q. Boon and Cristian Spitoni and Jungyul Park and René van Roij. Brain-inspired computing with fluidic iontronic nanochannels. Proceedings of the National Academy of Sciences. doi:10.1073/pnas.2320242121 CC-BY 4.0 Источник: www.pnas.org

Конечно, до создания полноценного «мозга из воды и соли» еще далеко. Необходимо решить множество технических задач, разработать новые материалы и алгоритмы. Но первый шаг сделан, и он открывает перед нами захватывающие перспективы. Компьютеры будущего смогут не только обрабатывать информацию, но и учиться, адаптироваться, творить. Они будут ближе к человеку, чем когда-либо прежде.

Возможно, именно вода и соль, эти простые и доступные вещества, станут основой для нового технологического скачка. Скачка, который позволит нам не только понять тайны человеческого мозга, но и создать искусственный интеллект, не уступающий, а может быть, и превосходящий нас по своим возможностям. А пока ученые продолжают свои исследования, мы можем только гадать, какие еще удивительные открытия ждут нас на этом пути.

Насколько реалистично создание полноценного компьютера на основе воды и соли?

Несмотря на успешное создание искусственного синапса, необходимо решить множество технических проблем, таких как масштабирование технологии, обеспечение стабильности и надежности работы, разработка алгоритмов для обработки информации.

Сможет ли такой компьютер испытывать эмоции или сознание?

Вопрос о сознании является одним из самых сложных и дискуссионных в философии и науке. Пока что нет единого мнения о том, что такое сознание и как оно возникает. Невозможно предсказать, смогут ли нейроморфные компьютеры обладать сознанием или испытывать эмоции.

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Как понять, что говорит ваша кошка: кошачий язык

Кошки, при всей их внешней самодостаточности, животные очень общительные. Даже самая независимая мурка идет на контакт с человеком. И использует для этого целый арсенал выразительных средств, от...

Как открыть дверцу стиральной машины, если заблокирован люк?

После окончания стирки дверца стиральной машины обычно открывается без проблем после звукового сигнала. Но иногда возникает ситуация, что люк заблокирован, и постиранные вещи извлечь не получается....

Самоходная пепельница с камерами и нейросетью. Новый итальянский робот «пылесосит» пляжи от окурков

Необычного четырёхногого робота представила инженерная команда из Итальянского технологического института в Генуе. Их разработка предназначена для очистки пляжей и парков от окурков, одного из...

В честь кого были названы салат Цезарь и торт Наполеон?

В книгах рецептов встречаются блюда с именитыми названиями. Например, торт «Наполеон» или же салат «Цезарь». Но как они связаны с известными историческими личностями? Неужели великий...

Как дыхание управляет размером зрачков: неожиданное открытие учёных

Мы привыкли не задумываться о дыхании — этот процесс, подобный биению сердца, воспринимается как нечто само собой разумеющееся. И действительно, дыхание — базовая функция...

Обзор белоснежного корпуса ALSEYE Knight-W

При сборке нового компьютера всегда хочется, чтобы он выделялся на рабочем месте. У компании ALSEYE есть в наличии недорогой, но весьма привлекательный корпус, который не только выделяется своим...