Sieci neuronowe stworzone z miniaturowych, srebrnych drucików zaskakująco przypominają działaniem mózg. Czy staną się przyszłością sieci neuronowych?
Naukowcy z University of California w Los Angeles (UCLA) oraz japońskiego Instytutu Nauk Materiałowych stworzyli eksperymentalne urządzenie, które przejawia cechy charakterystyczne dla żywych mózgów: uczenia się, zapamiętywanie, zapominanie, czy też stany przypominające jawę i sen. Swoją pracę publikują w „Nature Scientific Reports”.
Urządzenie zbudowane jest z sieci srebrnych mikroskopijnych drucików, które mają średnicę kilkuset nanometrów (dla porównania ludzki włos ma przeciętnie grubość kilkudziesięciu tysięcy nanometrów), pokrytych polimerową warstwą izolacyjną o grubości zaledwie jednego nanometra. Całość układu zajmuje dziesięć milimetrów kwadratowych i liczy około dziesięciu milionów połączeń.
Struktura sieci przypomina budowę kory mózgowej, najnowszej ewolucyjnie części mózgu odpowiedzialnej za wyższe funkcje poznawcze. Gdy do takiej sieci podłączono elektrody, naukowcy odnotowali szereg zjawisk, które nie mogły wynikać z natury samych elementów tworzących całość. Takie zjawiska nazywa się emergentnymi i są charakterystyczne na przykład dla mózgów – choć już nie dla komputerów.
„To system balansujący pomiędzy porządkiem a chaosem” mówi James Gimzewski, profesor chemii i biochemii UCLA. „Sposób w jaki urządzenie bezustannie się zmienia przypomina ludzki mózg. Przejawia wzorce aktywności, które się nie powtarzają”.
Naukowcy sugerują, że może to być jeden z pierwszych kroków na drodze do stworzenia komputerów, które fizycznie i funkcjonalnie przypominają mózgi. Obecne komputery nie radzą sobie z większością problemów, z którą z łatwością wykonują mózgi ludzi i zwierząt. Są też energochłonne i zużywają miliony razy więcej energii niż układy biologiczne. (Ludzki mózg zużywa około dwudziestu watów, tyle co energooszczędna żarówka.)
Kamień filozoficzny: srebro i siarka
Gimzewski nie ukrywa, że taki jest jego cel. „Chcę stworzyć maszynę, która myśli. Chcę stworzyć sztuczny mózg” – przyznał w „Progress of Materials Nanoarchitectonics” już w roku 2012. Uważa, że nie da się tego osiągnąć za pomocą klasycznej architektury opartej na układach scalonych.
Nie jest szaleńcem. Przez lata współpracował z Intelem i kilkoma noblistami. A sama idea komputerów neuromorficznych, czyli maszyn, które fizyczną budową będą naśladować ludzkie mózgi nie jest nowa.
Gimzewski w 2007 roku przyjął zaproszenie japońskiej grupy pod kierownictwem Masakazu Aono, która pracowała nad elektronicznymi przełącznikami od strony inżynierii materiałowej. Japończycy odkryli, że atomowej grubości warstwa siarczku srebra umieszczona na styku dwóch przewodów z metalicznego srebra ma niezwykłe właściwości. Gdy przyłoży się napięcie, nieprzewodzący siarczek srebra ulega redukcji do siarki i srebra. To sprawia, że z atomów srebra tworzy się połączenie między srebrnymi warstwami i przepływa prąd. Gdy zaś prąd płynie w przeciwnym kierunku, zachodzi proces odwrotny – znów powstaje siarczek srebra, a połączenie ulega przerwaniu.
Naukowcy zauważyli wtedy też, że im częściej przez takie złącze przepływa prąd, tym łatwiej takie połączenie się tworzy. Gdy zaś przez pewien czas prąd przez złączenie nie płynie, powoli samo zanika. Japończycy chcieli właściwości takich łączy modyfikować. Ale Gmizewski, biolog i biochemik, spostrzegł podobieństwo zachowania takich srebrnych łączy do synaps między neuronami.
Problemem było zbudowanie odpowiednio dużej sieci takich połączeń, ale Adam Stieg (doktorant Gmizewskiego) odkrył, że umieszczenie cieniutkich, gęsto rozmieszczonych drucików miedzianych w roztworze azotanu srebra sprawia, że pomiędzy nimi rosną właśnie mikroskopijne srebrne druciki. Potem wystarczy taką sieć wystawić na działanie związków siarki. Srebro chętnie reaguje z tlenkami siarki (nawet zawartymi w powietrzu, z tego powodu właśnie srebrne przedmioty czernieją).
Poza badaczami nikt nie wierzył, że plątanina mikroskopijnych srebrnych drucików może mieć jakieś szczególne właściwości. Sugerowano, że po przyłożeniu napięcia taki układ po prostu się przepali. Nic podobnego się nie stało. Naukowcy patrzyli nieco zafascynowani, bo zaczęła żyć własnym życiem. Przejawiała wzorce aktywności charakterystyczne dla złożonych układów, balansujących na pograniczu porządku i chaosu (co, jak sugerują najnowsze badania, jest także charakterystyczne dla ludzkich mózgów).
Zapamiętuje i zasypia
Prąd płynący przez sieć srebrnych nanodrucików sprawia, że niektóre się łączą. Przypomina to proces uczenia się i zapamiętywania, w których dochodzi do wykształcania połączeń między neuronami. W innych przypadkach połączenia nanodrucików spontanicznie ulegały przerwaniu (co z kolei przypomina proces zapominania. W innych eksperymentach badacze zauważyli, że im mniejsze napięcie przepływa przez ich układ, tym bardziej przypominało to aktywność śpiącego mózgu. Gdy napięcie zwiększano, stawało się bardziej podobne do wzorców aktywności mózgów na jawie.
Takie „miniaturowe srebrne mózgi” tak jak ich biologiczne odpowiedniki, nie oddzielają przetwarzania sygnałów od pamięci (co pochłania znaczą część czasu i energii). Gimzewski uważa, że takie układy mogą być lepsze od tradycyjnych komputerów w symulowaniu złożonych procesów.
Ale zachowanie układów balansujących na granicy porządku i chaosu może też pomóc w modelowaniu wielu zjawisk, które takie zachowanie przejawiają – na przykład pogody czy ruchu ulicznego. Ten sam zespół badaczy ma już za sobą udane symulacje wzorców ruchu ulicznego w Los Angeles za pomocą podobnych układów – mikroskopijnej sieci srebrnych drucików przypominającej budową i działaniem neurony ludzkiego mózgu.
Nad podobnymi sieciami, opartymi o reakcje elektrochemiczne pracują też zespoły w Europie. W pracy opublikowanej w ubiegłym roku w „Nature Communications” naukowcy z Centrum Badawczego Jülich pisali: „Urządzenia memrystorowe oparte o reakcje redoks są uważane za jednych z najbardziej obiecujących kandydatów do emulowania zachowań synaps i tworzenia sztucznych sieci neuronowych”.
Niemiecki zespół użył nanodrucików z tlenku cynku i elektrod ze srebra i platyny, by tworzyć takie pojedyncze łącza. Jest więc jest krok za zespołem Gimzewskiego, który tworzy już całe sieci.