Инженери от Северозападния университет (Northwestern University) създадоха печатни изкуствени неврони, които генерират електрически сигнали, достатъчно близки до тези в мозъка, за да активират живи нервни клетки. Постижението може да промени бъдещето на невропротезирането и да отвори път към ново поколение енергийно ефективни изчислителни системи, вдъхновени от мозъка.
Изследването, публикувано в сряда в списание "Nature Nanotechnology", показва, че гъвкави устройства от наноразмерни мастила на основата на дисулфид на молибдена и графен могат да възпроизвеждат сложни модели на "спайкове" – електрически импулси, които по форма и времетраене съответстват на сигналите на биологичните неврони. При тестове върху отрязъци от малкия мозък на мишка изкуствените неврони стабилно предизвикват отговор в клетките на Пуркиние, активирайки невронни вериги по начин, много близък до естествената стимулация.
Нов материален подход към изкуствените неврони
Устройствата са изработени чрез аерозолна струйна печатна техника, която нанася проводими и полупроводникови мастила върху гъвкави полимерни подложки. Вместо да отстрани стабилизиращия полимер от мастилото – стъпка, считана дълго време за производствено препятствие – екипът частично го разлага, образувайки проводими нишки, способни да генерират резки електрически импулси, подобни на невронните.
Резултатът е изкуствен неврон, който не се ограничава до прости единични импулси, а създава богат набор от сигнални модели, включително самотни спайкове, непрекъсната тонична активност и пакетни разряди. Това разнообразие означава, че всяко устройство може да кодира повече информация, което позволява да се намали броят компоненти, нужни за изграждане на изчислителни системи, наподобяващи структурата и динамиката на мозъка.
"Кремият постига сложност чрез милиарди идентични устройства", обяснява проф. Марк К. Хърсам, професор по материалознание и инженерство "Уолтър П. Мърфи" в инженерното училище "Маккормик" на Северозападния университет, който ръководи проекта заедно с адюнкт-професора Винод К. Сангван. "Мозъкът е пълната противоположност. Той е нехомогенен, динамичен и триизмерен. За да се приближим до него, ни трябват нови материали и нови начини за изграждане на електроника".
На границата между биология и изчисления
Биологичната валидация е проведена в сътрудничество с Индирa М. Раман – невробиолог от Колежа по изкуства и науки "Уайнбърг" към Северозападния университет. Хърсам отбелязва, че досегашните опити за изкуствени неврони с органични материали са давали твърде бавни импулси, а устройствата на базата на метални оксиди – прекалено бързи. "Постигнахме времеви диапазон, който досега не беше демонстриран при изкуствени неврони", казва той.
Значението на работата излиза далеч отвъд медицинските приложения. Хърсам обръща внимание на бързо растящите енергийни нужди на изкуствения интелект, подчертавайки, че човешкият мозък е приблизително 100 000 пъти по-ефективен от цифров компютър по отношение на консумирана енергия. "За да покрият енергийните потребности на ИИ, технологичните компании строят центрове за данни с мощност от гигават, захранвани от отделни ядрени електроцентрали", отбелязва той. "Както и да го погледнем, трябва да развиваме много по-енергийно ефективен хардуер за ИИ".
Печатните изкуствени неврони, които могат да се интегрират върху гъвкави повърхности и да комуникират директно с живи клетки, се очертават като потенциален ключ към бъдещи невронни импланти и хардуерни ускорители, вдъхновени от мозъка – стъпка към технологии, които съчетават биология и изчисления на съвсем ново ниво.