Новое устройство работает как мозг в передаче электрических сигналов

Дата публикации: 21 апреля 2020

Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте (США) создали мемристор, который эффективно работает на очень низкой мощности, как мозг, для передачи сигналов между своими «нейронами». Роль нейронов играют белковые нанонити. Подробное описание разработки появилось в журнале Nature Communications. Коротко о ней рассказанов пресс-релизе вуза.

Как объясняет первый автор исследования Тианда Фу (Tianda Fu), одно из самых больших препятствий для нейроморфных вычислений, которое делает его недостижимым, заключается в том, что большинство обычных компьютеров работают при напряжении более 1 вольт, в то время как мозг посылает сигналы между нейронами при напряжении около 80 милливольт, что во много раз ниже. И сегодня, спустя десятилетие после ранних экспериментов, нейроморфный мемристор, или «транзистор памяти», работает при таком же напряжении, как и обычный компьютер.

Однако ученые смогли преодолеть этот рубеж и снизить энергопотребление, необходимое для работы транзистора. В этом им помогли белковые нанопроволоки, полученные из бактерии Geobacter. У электропроводящих белковых нанопроволок есть множество преимуществ перед дорогими кремниевыми нанопроводами, для производства которых требуются токсичные химические вещества и большое количество энергии. Белковые нанопроволоки также более стабильны в воде или биологических жидкостях, что является важной особенностью для биомедицинских применений.

Для своего «транзистора памяти» исследователи отделяют нанопроволоки от бактерий – и используют только проводящий белок. Исследователи изучали, на что способны нанопроволоки при различных напряжениях. Они экспериментировали с импульсным включением-выключением положительно-отрицательного заряда, посылаемого через крошечную металлическую нить в мемристоре, который создает электрический выключатель. (Команда использовала именно металлическую нить, потому что белковые нанопроволоки облегчают восстановление металлов.)

Так как импульсы включения-выключения вызывают изменения в металлических нитях, в крошечном устройстве создаются новые разветвления и соединения, которые в 100 раз меньше диаметра человеческого волоса. Это создает эффект, похожий на обучение – образование новых нейронных связей – в настоящем мозге.

«По сравнению с обычным компьютером это устройство обладает способностью к обучению, которая не основана на программном обеспечении», – отмечают авторы работы.

Ученые планируют дополнить свое открытие исследованиями механизмов и «в полной мере изучить химию, биологию и электронику» белковых нанопроводов в мемристорах, а также возможные приложения, которые могут включать устройство, контролирующее частоту сердечных сокращений. Возможно, в будущем подобные мемристоры смогут «общаться» с реальными нейронами в биологических системах.

[Иллюстрация: UMASS AMHERST/YAO LAB]

Поделиться: