Інженери з Північно-Західного університету (Northwestern University) створили друковані штучні нейрони, які генерують електричні сигнали, достатньо близькі до тих, що в мозку, щоб активувати живі нервові клітини. Досягнення може змінити майбутнє нейропротезування та відкрити шлях до нового покоління енергоефективних обчислювальних систем, натхненних мозком.
Дослідження, опубліковане в середу в журналі "Nature Nanotechnology", показує, що гнучкі пристрої з нанорозмірних чорнил на основі дисульфіду молібдену та графену можуть відтворювати складні моделі "спайків" – електричних імпульсів, які за формою та тривалістю відповідають сигналам біологічних нейронів. Під час тестів на зрізах мозочка миші штучні нейрони стабільно викликають відповідь у клітинах Пуркіньє, активуючи нейронні ланцюги у спосіб, дуже близький до природної стимуляції.
Новий матеріальний підхід до штучних нейронів
Пристрої виготовлені за допомогою аерозольної струменевої друкарської техніки, яка наносить провідні та напівпровідникові чорнила на гнучкі полімерні підкладки. Замість того, щоб видалити стабілізуючий полімер з чорнила – крок, який довгий час вважався виробничою перешкодою – команда частково його розкладає, утворюючи провідні нитки, здатні генерувати різкі електричні імпульси, подібні до нейронних.
Результат – штучний нейрон, який не обмежується простими одиничними імпульсами, а створює багатий набір сигнальних моделей, включаючи самотні спайки, безперервну тонічну активність та пакетні розряди. Ця різноманітність означає, що кожен пристрій може кодувати більше інформації, що дозволяє зменшити кількість компонентів, необхідних для побудови обчислювальних систем, що нагадують структуру та динаміку мозку.
"Кремній досягає складності через мільярди ідентичних пристроїв", – пояснює проф. Марк К. Хърсам, професор матеріалознавства та інженерії "Волтер П. Мерфі" в інженерній школі "Маккормік" Північно-Західного університету, який керує проєктом разом з адюнкт-професором Вінодом К. Сангваном. "Мозок є повною протилежністю. Він є неоднорідним, динамічним і тривимірним. Щоб наблизитися до нього, нам потрібні нові матеріали та нові способи побудови електроніки".
На межі між біологією та обчисленнями
Біологічна валідація проведена у співпраці з Індірою М. Раман – нейробіологом з Коледжу мистецтв і наук "Уайнберг" Північно-Західного університету. Хърсам зазначає, що попередні спроби штучних нейронів з органічними матеріалами давали надто повільні імпульси, а пристрої на основі металевих оксидів – занадто швидкі. "Ми досягли часового діапазону, який досі не було продемонстровано у штучних нейронах", – каже він.
Значення роботи виходить далеко за межі медичних застосувань. Хърсам звертає увагу на потреби штучного інтелекту, що швидко зростають, підкреслюючи, що людський мозок приблизно у 100 000 разів ефективніший від цифрового комп'ютера з точки зору споживаної енергії. "Щоб покрити енергетичні потреби ІІ, технологічні компанії будують центри даних потужністю від гігават, що живляться від окремих ядерних електростанцій", – зазначає він. "Як би ми на це не дивилися, ми повинні розвивати набагато енергоефективніше обладнання для ІІ".
Друковані штучні нейрони, які можуть інтегруватися на гнучких поверхнях і комунікувати безпосередньо з живими клітинами, окреслюються як потенційний ключ до майбутніх нейронних імплантів і апаратних прискорювачів, натхненних мозком – крок до технологій, які поєднують біологію та обчислення на зовсім новому рівні.