Μια ομάδα μηχανικών στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Άμχερστ ανακοίνωσε τη δημιουργία ενός τεχνητού νευρώνα με ηλεκτρικές λειτουργίες που αντικατοπτρίζουν πιστά εκείνες των βιολογικών.
Υπολογιστές με βάση την βιολογία
Η εργασία βασίζεται στην προηγούμενη έρευνά τους χρησιμοποιώντας νανοσύρματα πρωτεΐνης που συντέθηκαν από βακτήρια που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Αυτή η ανακάλυψη θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για εξαιρετικά αποδοτικούς υπολογιστές που θα βασίζονται σε βιολογικές αρχές, συστήματα που κάποια μέρα θα μπορούσαν να συνδεθούν απευθείας σε ζωντανά κύτταρα.
«Ο εγκέφαλός μας επεξεργάζεται μια τεράστια ποσότητα δεδομένων», λέει ο Shuai Fu, μεταπτυχιακός φοιτητής ηλεκτρολόγων μηχανικών και μηχανικών υπολογιστών στο UMass Amherst και κύριος συγγραφέας της μελέτης.
«Αλλά η κατανάλωση ενέργειας είναι πολύ, πολύ χαμηλή, ειδικά σε σύγκριση με την ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που χρειάζεται για να εκτελέσει ένα Μεγάλο Γλωσσικό Μοντέλο, όπως το ChatGPT».
Ο ανθρώπινος εγκέφαλος λειτουργεί με περίπου 20 watt, ενώ ένα μεγάλο μοντέλο τεχνητής νοημοσύνης μπορεί να απαιτήσει πάνω από ένα μεγαβάτ ηλεκτρικής ενέργειας για να επιτύχει μια παρόμοια εργασία. Αυτό το τεράστιο κενό στην απόδοση είναι αυτό που οι ερευνητές ελπίζουν να κλείσουν με το νέο τους σχέδιο.
Νευρωνες στην τάση του σώματος
Ο εγκέφαλος αποτελείται από δισεκατομμύρια νευρώνες, εξειδικευμένα κύτταρα που πυροδοτούν και μεταδίδουν ερεθίσματα με εξαιρετική απόδοση. Η ηλεκτρονική αναπαραγωγή αυτής της διαδικασίας έχει αποδειχθεί δύσκολη.
«Προηγούμενες εκδόσεις τεχνητών νευρώνων χρησιμοποιούσαν 10 φορές περισσότερη τάση - και 100 φορές περισσότερη ισχύ - από αυτήν που έχουμε δημιουργήσει», λέει ο Jun Yao, αναπληρωτής καθηγητής ηλεκτρολογίας και μηχανικής υπολογιστών στο UMass Amherst και κύριος συγγραφέας της εργασίας.
Κατασκευασμένοι από νανοκαλώδια πρωτεΐνης χαμηλής ισχύος, κατασκευασμένα από βακτήρια, αυτοί οι νευρώνες ανοίγουν την πόρτα σε πολύ πιο αποτελεσματικούς, βιο-εμπνευσμένους υπολογιστές. Αυτό τους καθιστούσε αναποτελεσματικούς και ανίκανους να αλληλεπιδρούν άμεσα με ζωντανούς νευρώνες.
Η πρόοδος της ομάδας αλλάζει αυτό. «Οι δικοί μας καταγράφουν μόνο 0,1 βολτ, που είναι περίπου το ίδιο με τους νευρώνες στο σώμα μας», λέει ο Yao.
Με αυτόν τον σχεδιασμό χαμηλής τάσης, οι τεχνητοί νευρώνες θα μπορούσαν να ενσωματωθούν όχι μόνο σε υπολογιστικά συστήματα αλλά και σε ιατρικές συσκευές ικανές να επικοινωνούν απρόσκοπτα με βιολογικά κύτταρα.
Από βιοφίλμ σε υπολογιστές
Οι ερευνητές βλέπουν ένα ευρύ φάσμα πιθανών χρήσεων, από βιοεμπνευσμένους υπολογιστές έως ηλεκτρονικά που συνδέονται άμεσα με το ανθρώπινο σώμα.
«Αυτή τη στιγμή διαθέτουμε κάθε είδους φορετά ηλεκτρονικά συστήματα ανίχνευσης», λέει ο Yao.
«Αλλά είναι συγκριτικά αδέξια και αναποτελεσματικά. Κάθε φορά που ανιχνεύουν ένα σήμα από το σώμα μας, πρέπει να το ενισχύσουν ηλεκτρικά, ώστε ένας υπολογιστής να μπορεί να το αναλύσει. Αυτό το ενδιάμεσο βήμα ενίσχυσης αυξάνει τόσο την κατανάλωση ενέργειας όσο και την πολυπλοκότητα του κυκλώματος, αλλά οι αισθητήρες που κατασκευάζονται με τους νευρώνες χαμηλής τάσης μας θα μπορούσαν να λειτουργήσουν χωρίς καμία ενίσχυση».
Η ανακάλυψη βασίζεται σε πρωτεϊνικά νανοσύρματα που προέρχονται από το Geobacter sulfurreducens, ένα βακτήριο που παράγει φυσικά ηλεκτρική ενέργεια. Ο Yao και οι συνεργάτες του έχουν χρησιμοποιήσει αυτά τα νανοσύρματα για να κατασκευάσουν ασυνήθιστες τεχνολογίες τα τελευταία χρόνια - ένα βιοφίλμ που τροφοδοτείται από τον ιδρώτα και τρέχει μικρά ηλεκτρονικά, μια «ηλεκτρονική μύτη» που ανιχνεύει ασθένειες, ακόμη και μια συσκευή που συλλέγει ηλεκτρική ενέργεια από τον αέρα.
Ο νέος τεχνητός νευρώνας προσθέτει σε αυτή τη λίστα, ωθώντας την έρευνά τους περαιτέρω στη διασταύρωση της βιολογίας και της πληροφορικής. Αυτό το έργο υποστηρίχθηκε από το Γραφείο Έρευνας του Στρατού, το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ, τα Εθνικά Ινστιτούτα Υγείας και το Ίδρυμα Alfred P. Sloan.
www.worldenergynews.gr
