Наноразмерное устройство работает как мозг человека

Международная команда ученых сделала значительный шаг к цели создания мыслящих машин. Под руководством исследователей из японского Национального института материаловедения они создала экспериментальное устройство, которое продемонстрировало характеристики, аналогичные определенным поведениям мозга — обучение, запоминание, забывание, бодрствование и сон.

В статье, опубликованной в Scientific Reports, описывается сеть в состоянии непрерывного потока.

«Это система между порядком и хаосом, на грани хаоса. То, как устройство постоянно развивается и сдвигается, имитирует человеческий мозг. Она может придумать различные типы моделей поведения, которые не повторяются.» — говорят исследователи.

Нынешняя работа является одним из первых шагов на пути, который в конечном итоге может привести к компьютерам, которые физически и функционально напоминают мозговые машины, которые могут быть способны решать проблемы, с которыми не справляются современные компьютеры, и которые могут потребовать гораздо меньше энергии.

Устройство, которое создали ученые, сделано из клубка серебряных нанопроволок — со средним диаметром всего 360 нанометров. Нанопроволоки были покрыты изолирующим полимером толщиной около 1 нанометра (одна миллиардная часть метра). В целом, само устройство занимает площадь около 10 квадратных миллиметров.

Обладающие способностью случайным образом самособираться на кремниевой пластине, нанопроволоки сформировали высоко взаимосвязанные структуры, которые удивительно похожи на те, которые формируют неокортекс, часть мозга, участвующую в высших функциях, таких как язык, восприятие и познание.

Одной из особенностей, отличающих нано-сеть от обычных электронных схем, является то, что электроны, проходящие через нее, вызывают изменение физической конфигурации сети.

В ходе исследования электрический ток заставил атомы серебра мигрировать из полимерного покрытия и образовывать соединения, в которых пересекаются две нанопроволоки. Система имела около 10 миллионов таких соединений, которые аналогичны синапсам, где соединяются и общаются клетки мозга.

Исследователи прикрепили два электрода к мозгоподобной сетке, чтобы описать работу сети. Они наблюдали «эмерджентное поведение», означающее, что сеть отображала характеристики в целом, которые нельзя было отнести к отдельным частям, составляющим ее. Это еще одна черта, которая делает сеть похожей на мозг и отличает ее от обычных компьютеров.

После того, как ток протекал через сеть, связи между нанопроводами сохранялись в течение одной минуты в некоторых случаях, что напоминало процесс обучения и запоминания в мозге. В других случаях связь резко обрывалась после окончания заряда, имитируя мозговой процесс забывания.

В других экспериментах исследовательская группа обнаружила, что при меньшем расходе энергии устройство демонстрирует поведение, соответствующее тому, что видят нейробиологи, когда они используют функциональное сканирование МРТ для получения изображений мозга спящего человека. При большей мощности нанопроволочная сеть вела себя так же, как и бодрствующий мозг.

Из-за сходства с внутренней работой мозга будущие устройства, основанные на технологии нанопроволок, также могут демонстрировать энергоэффективность, как и мозг.

Человеческий мозг работает на мощности, примерно эквивалентной мощности 20-ваттной лампы накаливания. В отличие от этого, компьютерные серверы, на которых выполняются трудоемкие задачи, потребляют гораздо больше энергии с сопутствующим углеродным следом.

«В наших исследованиях у нас есть более широкая миссия, чем просто перепрограммирование существующих компьютеров», — говорят ученые.

«Наше видение — это система, которая в конечном итоге сможет выполнять задачи таким образом, как это делает человек».

Adrian Diaz-Alvarez et al. Emergent dynamics of neuromorphic nanowire networks, Scientific Reports (2019). DOI: 10.1038/s41598-019-51330-6