Araştırmacılar, insan beynini taklit edebilen elektronik cihaz geliştirdi
Bilim insanları, beyinden esinlenen düşük güç tüketimli elektronik cihazlar geliştirme yolunda hızlı adımlarla ilerliyor. Yeni geliştirilen cihaz, yazılım tabanı olmadan öğrenme kabiliyetine sahip.
Massachusetts Amherst Üniversitesi’nden araştırmacılar, insan beyniyle aynı voltaj seviyesinde çalışabilen ultra düşük güçlü cihazlar geliştirdi. Memristor olarak bilinen bir elektronik bellek cihazı yapmak için biyolojik, elektrik iletkenliği olan filamanları kullandı.
Bilim insanları, Geobacter bakterisinden geliştirilen protein nanotellerini kullanarak, insan beyni sinapsları kadar verimli bir cihaz geliştirdiler. Yeni teknolojiye dair ayrıntılar, Nature Communications dergisinde yayınlandı.
İlk yazar olan, elektrik ve bilgisayar mühendisliği adayı ve Psikolog Doktor Tianda Fu, nöromorfik hesaplamanın önündeki en büyük engellerden biri ve erişilemez görünmesini sağlayan bir tanesinin, geleneksel bilgisayarların çoğunun 1 volttan fazla çalıştığı ve beynin yaklaşık 80 civarında nöronlar arasında eylem potansiyelleri olarak adlandırılan sinyaller gönderdiğini açıklıyor. milivolt – birçok kez daha düşük. Bugün, erken deneylerden on yıl sonra, geleneksel bilgisayara benzer aralıklarda memristor voltajına ulaşıldı, ancak olası görünmeyenlerin altına inmek, diye ekliyor.
Fu, mikrobiyolog ve ortak yazar Derek Lovely tarafından Geobacter bakterisinden Massachusetts Amherst Üniversitesi’nde geliştirilen protein nanotelleri kullanarak, memrislerin nörolojik voltajlara ulaştığı deneyler yaptığını bildirdi. Bu testler elektrik ve bilgisayar mühendisliği araştırmacısı ve ortak yazar Jun Yao laboratuvarında gerçekleştirildi.
Yao, “Bu, bir cihazın ilk kez beyinle aynı voltaj seviyesinde çalışabilmesi. İnsanlar muhtemelen bir beyindeki biyolojik benzerleri kadar enerji tasarruflu bir cihaz yaratabileceğimizi ummaya cesaret edemediler, ancak şimdi ultra düşük güç hesaplama yeteneklerine dair gerçekçi kanıtlarımız var. Bu bir konsept atılımı ve biz, biyolojik voltaj rejiminde çalışan elektronikte çok fazla keşfe neden olacağını düşünüyoruz. ”
Lovely, Geobacter’ın elektriksel olarak iletken protein nanotellerinin, toksik kimyasallar ve yüksek enerjili üretim süreçleri gerektiren pahalı silikon nanotellere kıyasla birçok avantaj sunduğuna dikkat çekiyor. Protein nanotelleri, biyomedikal uygulamalar için önemli bir özellik olan su veya vücut sıvılarında daha kararlıdır. Bu çalışma için araştırmacılar nanotelleri bakterilerden ayırıyorlar, bu nedenle sadece iletken protein kullanılıyor.
Fu, kendisinin ve Yao’nun, örneğin farklı voltajlarda neler yapabildiklerini görmek için saf nanotelleri kendi hızlarına koymaya başladıklarını söylüyor. Bir elektrik anahtarını oluşturan bir memristordaki küçük bir metal iplikten gönderilen pozitif negatif yükün darbeli bir açma-kapama modelini denediler.
Protein nanotelleri metal indirgemesini, metal iyonu reaktivitesini ve elektron transfer özelliklerini değiştirmeyi kolaylaştırdığı için metal bir iplik kullandılar. Lovely, bu mikrobiyal yeteneğin şaşırtıcı olmadığını söylüyor, çünkü vahşi bakteriyel nanoteller, oksijenlerini soluduğumuz şekilde enerjilerini elde etmek için metalleri nefes alıyor ve kimyasal olarak düşürüyor.
Açma-kapama darbeleri metal filamentlerde değişiklikler yarattıkça, insan cihazının çapından 100 kat daha küçük olan küçük cihazda yeni dallanma ve bağlantılar yaratılır. Gerçek bir beyindeki öğrenmeye benzer bir etki yaratır. “Nanowire-memristor sinapsının iletkenliğini veya plastisitesini modüle edebilir, böylece beyin esinli hesaplama için biyolojik bileşenleri taklit edebilir. Geleneksel bir bilgisayarla karşılaştırıldığında, bu cihaz yazılım tabanlı olmayan bir öğrenme yeteneğine sahiptir. ”
Fu, “Yaptığımız ilk deneylerde, nanotel performansı tatmin edici değildi, ama devam etmemiz için yeterliydi.” İki yıl boyunca, kendisi ve Yao’nun gözlerinin bilgisayar ekranında görünen voltaj ölçümleriyle perçinlendiği bir kader güne kadar iyileşme gördü.
“Bu harika performansı gördüğümüz günü hatırlıyorum. Akım gerilim taraması ölçülürken bilgisayarı izledik. Aşağı ve aşağı yapmaya devam etti ve birbirimize ‘Vay canına, işe yarıyor’ dedik. Çok şaşırtıcı ve çok cesaret vericiydi.”
Fu, Yao, Lovely ve meslektaşları, bu keşfi mekanizmalar hakkında daha fazla araştırma ile takip etmeyi ve memristorlardaki protein nanotellerinin kimyasını, biyolojisini ve elektroniklerini tam olarak araştırmayı planlıyorlar.
Yao, “Bu, bir gün bu cihazın biyolojik sistemlerde gerçek nöronlarla konuşabileceği fizibilitesinde umut sunuyor.